Modelagem e simulação via modelo do campo de fase aplicado a problemas de solidificação para metal puro (NI) e ligas binárias (Fe-C) com foco no espaçamento dendrítico secundário de ligas

O entendimento e modelagem do crescimento dendrítico tem sido tema central do processo de solidificação durante décadas. Pois a transformação da fase líquida para fase sólida ocorrida durante o processo de solidificação irá gerar microestruturas, no qual determinam as propriedades mecânicas dos materiais. Os conhecimentos sobre essas microestruturas dendríticas eram baseados em experimentos ou modelos teóricos idealizados. Porém com o avanço tecnológico foi proposto um modelamento que simulasse tal processo. Assim o modelo do Campo de Fase ficou sendo conhecido como uma poderosa ferramenta na modelagem de microestruturas com interfaces complexas. No presente trabalho, o modelo do Campo de Fase foi aplicado com o intuito de auxiliar os estudos das microestruturas dendríticas geradas durante o processo de solidificação do metal puro (Ni) e ligas binárias de Fe­C. Onde a relação entre as propriedades físicas do material e os parâmetros do modelo também são demonstrados. Um estudo inicial foi feito para o metal puro Níquel são eles: a) influência do super­resfriamento sobre a morfologia dendrítica do Ni; b) estimativa da velocidade de crescimento da ponta da dendrita de níquel para diferentes super­resfriamentos; c) cálculo da fração solidificada em função do tempo de solidificação; d) ângulo preferencial de crescimento. Após os estudos preliminares então o modelo foi estendido para os estudos das ligas de Fe­C, onde se destacam: a) cálculo do perfil de concentração nas fases sólida, líquida e região da interface; b) influência do super­resfriamento na morfologia dendrítica da liga de Fe­C; c) estimativa do espaçamento dendrítico secundário da liga Fe­C para diferentes taxas de resfriamento. Especial atenção nesse trabalho foi dada ao Espaçamento Dendrítico Secundário (EDS), que influencia as propriedades mecânicas do material. Os resultados obtidos no presente trabalho concordam com a teoria do processo de solidificação e com experimentos citados nas principais literaturas sobre o processo de solidificação. O presente trabalho mostra a capacidade do modelo do Campo de Fase em simular estruturas dendríticas complexas em sistemas super­resfriados, seja para metais puros ou ligas binárias.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível SuperiorThe understanding and modeling of dendrite growth has been a central theme of the solidification process for decades. For the transformation of liquid phase to solid phase occurring during the solidification process will generate microstructures, which determine the mechanical properties of the materials. The knowledge of these dendrite microstructures were based on idealized experiments or theoretical models. But with the technological advancement we proposed a modeling to simulate this process. Thus the model of the Phase Field became known as a powerful tool for modeling microstructures with complex interfaces. In the present work, the model of the field phase was applied in order to assist in studies of dendrite microstructures generated during the process of solidification of pure metal (Ni) and Fe­C binary alloys. Where are also shown the relationship between the physical and material properties of the model parameters. An initial study was done for pure nickel metal they are: a) influence of super­cooling on dendrite morphology of Ni; b) estimated rate of growth of nickel dendrite tip for different super­cooling; c) calculating the solidified fraction due to the solidification time; d) preferential growth angle. After preliminary studies then the model has been extended to studies of Fe­C, which are: a) calculating the concentration profile in the solid and liquid phases and the interface region; b) influence of super­cooling in the dendrite morphology of the Fe­ C; c) estimation of the secondary dendrite spacing of Fe­ C for different cooling rates. Special attention was given to this work Dendritic Spacing Secondary (DSS), which influences the mechanical properties of the material. The results obtained in this study agree with the theory of the solidification process and experiments cited in the main literature on the solidification process. The present work shows the ability of the model to simulate Phase­Field complex dendritic structures in super­cooled systems, whether for pure metals or binary alloys.71 p