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Title: Simulação numérica micro estrutural da solidificação pelo método do campo de fase da liga diluída ferro-carbono-boro.
Authors: Furtado, Henrique Silva
metadata.dc.contributor.advisor: Bernardes, Américo Tristão
Keywords: Engenharia de materiais
Liga diluida
Campo de fases - ligas
Solidificação - metais - ligas
Issue Date: 2010
Publisher: Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Materiais. Rede Temática em Engenharia de Materiais, Pró-Reitoria de Pesquisa e Pós-Graduação, Universidade Federal de Ouro Preto.
Citation: FURTADO, H. S. Simulação numérica micro estrutural da solidificação pelo método do campo de fase da liga diluída ferro-carbono-boro. 2010. 137 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia de Materiais) – Universidade Federal de Ouro Preto, Ouro Preto, 2010.
Abstract: Um modelo de campo de fase capaz de estimar o efeito da presença de Boro na morfologia dendrítica de uma liga diluída de Fe-C-B foi desenvolvido, como com o objetivo de analisar os mecanismos induzidos pela presença deste elemento que resulta na maior propensão à for-mação de trincas durante o processo de solidificação via lingotamento continuo. A abordagem foi o da utilização da modelagem bidimensional aplicadas a soluções diluídas de ligas ternárias, utilizando-se o método numérico de volumes finitos para a solução das equações diferenciais e transporte, as quais apesar de fenomenológicas, são consistentes com a termodinâmica do não equilíbrio. O modelo foi validado através de comparações com soluções analíticas, equilíbrio termodinâmico e dados experimentais de substâncias puras (Ni e Fe) e ligas binárias Ni-Cu, Fe-C, Fe-P, Fe-B, Si-As e Si-Bi. Por outro lado, os resultados das duas ligas ternárias diluídas (Fe-C-P e Fe-C-B) foram validados através de comparações com o equilíbrio termodinâmico, devido a falta de dados experimentais. Para a liga Fe-C-B foram analisados 3 conteúdos dife-rentes de Boro: 0, 100 e 200ppm. Os resultados obtidos pelo presente modelo para substâncias puras e ligas binárias obtiveram boa concordâncias com os de outras fontes (numéricos e experimentais). O fenômeno de apri-sionamento de soluto na fase sólida das ligas binárias, que ocorre com o aumento da velocidade de solidificação, foi simulado com sucesso pelo presente modelo, atestado pela boa conformi-dade com os dados experimentais das ligas Si-As e Si-Bi. Além disto, a relação clássica da teoria do crescimento dendrítico, que estabelece a redução do raio da ponta da dendrita com o aumento da velocidade de solidificação até o limite onde ocorre a transição dendrítica-celular também foi reproduzida de forma consistente. Da mesma forma o modelo foi capaz de simular o fenômeno da instabilidade da interface conforme preconizado pela teoria da instabilidade li-near de Mullins e Sekerka. Nas simulações isotérmicas da liga ternária Fe-C-B foram previstos que o aumento do teor de Boro reduz o raio da ponta da dendrita, reduz a temperatura onde ocorre a transição dendrítica-celular, produz dendritas com braços principais mais delgados, aumenta o parâmetro de seleção e a segregação interdendrítica significativamente. As simulações de solidificação direcional re-produziram aquelas observadas na isotérmica além de evidenciarem um aumento da fração de líquido interdendrítico. Estes fenômenos conduzem à possibilidade da existência de 3 mecanismos de fragilização com o aumento do teor de Boro nesta liga: um relacionado ao coalescimento dinâmico dos braços secundários, resultado da intensificação do crescimento de perturbações, que gerariam espaçamentos secundários da dendrita maiores; outro devido ao acumulo de Carbono e Boro nas regiões interdendríticas, provocando a refusão desta região durante o resfria-mento do material em temperaturas em torno de 1200 C; e um último, ocorrendo na frente de solidificação, devido aos fenômenos associados de afinamento do braço principal da dendrita e o aumento da fração de líquido interdendrítico. Os resultados do presente trabalho podem ser considerados consistentes pois são capazes de explicar a presença de trincas na amostra de placa de um aço contendo 80ppm de Boro obtida de uma placa lingotada continuamente
metadata.dc.description.abstracten: A phenomenological Phase-Field Model for ternary dilute alloy solidification consistent with non equilibrium thermodynamic was implemented. The aim is to investigate the effect of Boron addition on dilute Fe-C microscopic morphology and its influence on crack susceptibility dur-ing solidification. The approach was to implement the model using finite volume technique on a two dimension domain. The model validation was performed comparing its results with one di-mension analytical solution, with equilibrium concentration from phase diagrams and also with experimental data of pure materials (Ni and Fe), binary alloys (Ni-Cu, Fe-C, Fe-P and Fe-B). Ternary alloys (Fe-C-P and Fe-C-B) were validated against equilibrium phase diagram due to the lack of experimental data. Three different Boron content in Fe-C-B alloy were analyzed: 0, 100 and 200ppm. The present model was capable to predict the observed solute trapping for Si-As and Si-Bi bi-nary alloy, the classical relation between dendrite tip radius and solidification velocity and the Mullins and Sekerka interface instability. Isothermal simulations of dilute Fe-C-B dilute alloy predicted that the increase of Boron con-tent decreases the dendrite tip radium, and the dendrite-cellular transition temperature, reduces the thickness of primary arms and increases both the selection parameter and the interden-ditic segregation. These results were reproduced during simulation of directional solidification, whith an extra effect of increasing the interdendritic liquid phase at the solidification front. These phenomena lead to three possible embrittlement mechanism: one related to the coarsen-ing mechanism of secondary arms due to the increase of interface disturbances, which would generate larger secondary arms spaces; the second is a result of the intense interdendritic segre-gation leading to the remelting of this region during cooling around 1200 C; the last one taking place at the solidification front which is attributed to the increase of liquid fraction between the thinner dendrite arms.These results can be considered consistent due to the fact that they can explain the coarse cracks observed in a sample of 80ppm steel slab produced by continuous casting process.
URI: http://www.repositorio.ufop.br/handle/123456789/2748
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