Simulação numérica micro estrutural da solidificação pelo método do campo de fase da liga diluída ferro-carbono-boro.

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