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  • Un codice di simulazione per processi fusori è un software che consente di simulare il riempimento della forma e le successive fasi di raffreddamento e solidificazione del getto. Questo viene fatto risolvendo le equazioni della fluidodinamica (equazione di N. S. e modelli di turbolenza) e l’equazione di trasmissione del calore in presenza di un dominio in cambiamento di fase, utilizzando metodi numerici.
  • Al momento tali sofware vengo già ampiamente utilizzati e rappresentano un valido aiuto nella fase di progettazione del modello. Essi consentono ad esempio di verificare che il metallo entri nella forma con velocità e pressioni adeguate, e che quindi i canali di colata siano dimensionati correttamente, e che non generino turbolenze durante il riempimento, con il rischio di avere intrappolamenti d’aria e quindi difetti all’interno del getto. Un altro risultato che si può visualizzare attraverso tali software è l’andamento del raffreddamento, in maniera tale da poter così verificare quali siano le ultime parti del getto che si raffreddano e verificare l’eventuale presenza di zone ancora liquide circondate da zone già solide, dove quindi si formeranno delle porosità.
  • Informazioni analoghe a quest’ultime si possono ottenere visualizzando i risultati in termini di tempi di solidificazione e moduli termici all’interno del getto.
  • Infine si possono ottenere risultati in termini di difettosità finali presenti nel getto, quali “punti caldi” e porosità.
  • Nel caso della fonderia di ghisa, per prevedere le caratteristiche finali di un getto, la sola soluzione dei modelli termofluidodinamici descritti in precedenza non è sufficiente: occorre infatti considerare tutte le trasformazioni che avvengono all’interno del getto sia in fase di solidificazione che allo stato solido.
  • Per quanto riguarda la fase di solidificazione si ha, nel caso di una ghisa ipoeutettica, la nucleazione e l’accrescimento dei grani di austenite e della grafite. Al raggiungimento poi della temperatura eutettoidica, a causa della non stabilità dell’austenite a temperature inferiori a questa, si ha la trasformazione allotropica del reticolo cristallino del ferro e quindi si ha il passaggio dall’austenite alla ferrite/perlite.
  • In questa slide sono state schematizzate le trasformazioni che si hanno durante la solidificazione di una ghisa nel caso di una gg (in cui si ha la formazione di lamelle di grafite tra i grani di austenite) e nel caso di una gs (in cui si ha invece, in seguito al trattamento con lega di mg, la formazione di sferoidi di grafite circondati da un “guscio” di austenite)
  • Qui invece sono schematizzate le trasformazioni che si hanno allo stato solido: in conseguenza alla trasformazione allotropica del reticolo cristallino del ferro e della minore solubilità che ha il C nel ferro alfa rispetto al ferro gamma (ovvero l’austenite), si ha la nucleazione della ferrite in corrispondenza dei nuclei di grafite, in quanto la breve distanza favorisce la diffusione del C verso la grafite. Se poi le velocità di raffreddamento sono sufficientemente basse da favorire la diffusione di tutto il C verso la grafite si avrà alla fine una matrice metallica completamente ferritica; in caso contrario si avrà la formazione di perlite, ossia di una struttura formata da lamelle di ferrite e cementite. Ad influire sulla composizione finale della matrice metallica sono anche determinati elementi che sono presenti in lega e che possono favorire la formazione della perlite a scapito della ferrite (come ad esempio il Cu e lo Sn).
  • Nello studio delle caratteristiche finali di un getto in ghisa occorre anche prendere in considerazione il fatto che in presenza di elevate velocità di raffreddamento e di elementi che favoriscono la formazione di carburi (come il Cr) si può avere anche la formazione delle strutture tipiche del diagramma di stato metastabile, come la cementite, la quale risulta particolarmente indesiderata a causa della sua durezza e non lavorabilità.
  • Nel caso della ghisa diversi codici di tipo commerciale implementano i cosiddetti micromodelli, ovvero dei modelli matematici che consentono di effettuare delle previsioni sulla microstruttura e sulle proprietà meccaniche finali di un getto.
  • Considerando che, per quanto accurati possano essere, si tratta di modelli matematici che descrivono quindi attraverso equazioni quelli che sono i fenomeni fisici reali, occorre una prima fase di validazione dei risultati durante la quale occorre mettere a punto: …..
  • A tale scopo è stata effettuato una prima prova attraverso una geometria con cubi di diverso modulo termico, in modo tale da verificare il variare delle proprietà del getto in condizioni di raffreddamento differenti.
  • Per avere un riscontro coi risultati di una simulazione è stata inserita all’interno del getto una termocoppia utilizzando un crogiolino in sabbia per anime in shell, il quale è stato a sua volta inserito in un’anima che è stata ramolata all’interno della staffa. In tal modo è stato possibile misurare la curva di raffreddamento in un punto del getto, la quale sarà poi confrontata con quella calcolata in una simulazione.
  • Transcript

    • 1. Simulazione numerica dei processi fusori
    • 2. I codici di simulazione commerciali
      • Consentono di simulare :
      • a) Il riempimento della forma (soluzione dell’eq. di Navier-Stokes, dell’eq. di continuità e dei modelli di turbolenza )
      • b) Il raffreddamento e la solidificazione del getto (soluzione dell’ equazione di Fourier in presenza di cambiamento di fase )
    • 3. Risultati di una simulazione Verifica del corretto riempimento Andamento del raffreddamento
    • 4. Risultati di una simulazione Tempi di solidificazione Moduli termici
    • 5. Risultati di una simulazione “ Hot spot” Porosità
    • 6. Simulazione numerica: il caso della ghisa
      • Nella simulazione della solidificazione di un getto in ghisa occorre considerare:
      • Strutture che si formano durante la fase di solidificazione
      • b) Trasformazioni che avvengono allo stato solido
    • 7.
      • Trasformazioni che avvengono durante la solidificazione:
      • Nucleazione dei grani austenitici (ghisa ipoeutettica)
      • Nucleazione della grafite
      • Accrescimento delle strutture eutettiche
      • Trasformazioni che avvengono allo stato solido:
      • Trasformazione eutettoidica
      Simulazione numerica: il caso della ghisa
    • 8. Simulazione numerica: il caso della ghisa
      • Trasformazioni che avvengono durante la solidificazione: il caso delle ghise ipoeutettiche
    • 9. Simulazione numerica: il caso della ghisa
      • Trasformazioni che avvengono durante la solidificazione: formazione della FERRITE e della PERLITE
    • 10.
      • Occorre considerare la possibilità di avere strutture stabili e metastabili
      Simulazione numerica: il caso della ghisa
    • 11. “ Micromodelli”
      • Si tratta di modelli matematici che consentono di effettuare previsioni sulla MICROSTRUTTURA finale del getto e sulle sue proprietà MECCANICHE
      • Modelli di nucleazione ed accrescimento della grafite
      • Modelli di diffusione dei vari elementi (equazione di SCHEIL e regola della leva per il C)
      • Modelli di nucleazione ed accrescimento della ferrite
    • 12. “ Taratura” del software di simulazione
      • Per ottenere risultati attendibili occorre una fase preliminare in cui si devono determinare:
      • I corretti coefficienti di scambio termico e le caratteristiche termofisiche dei materiali coinvolti nel processo
      • I parametri relativi alle tecniche di inoculazione utilizzate da utilizzare all’interno dei modelli numerici descritti in precedenza legati al particolare processo produttivo implementato
    • 13. Prime prove sperimentali svolte all’interno del CRIF
      • Prova svolta in staffa con attrezzatura a cubi di diverso modulo termico
      Ghisa utilizzata: GS 400
    • 14. Prime prove sperimentali svolte all’interno del CRIF
      • Inserimento di una termocoppia all’interno della staffa
    • 15. Prime prove sperimentali svolte all’interno del CRIF
      • Obiettivi di tale attività:
      • Ottenere i corretti coefficienti di scambio termico e proprietà termofisiche per i materiali utilizzati mediante un confronto tra la curva di raffreddamento misurata all’interno del getto e quella calcolata dalla simulazione
      • Confrontare le proprietà meccaniche (durezza, resistenza a trazione ed allungamento) e microstrutturali ottenute nella simulazione con quelle misurate sul getto
    • 16. Prime prove sperimentali svolte all’interno del CRIF
      • Prime misure effettuate sul getto di prova
      Misure di durezza effettuate su tutte le fette ricavate dal getto
    • 17. Prime prove sperimentali svolte all’interno del CRIF
      • Prime misure effettuate sul getto di prova
      Liquidi penetranti per verificare la presenza di porosità all’interno del getto
    • 18. Prime prove sperimentali svolte all’interno del CRIF
      • Prossime prove in programma sul getto
      Ricavare dei provini per le prove di trazione all’interno delle parti integre del getto, sui quali poi effettuare anche delle micrografie

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