Title

ANÁLISE DO STRESS TÉRMICO NA SOLIDFICAÇÃO DIRECIONAL DA LIGA Al-1wt%Ni

THERMAL STRESS ANALYSIS OF A DIRECTIONALLY SOLIDIFIED Al-1wt%Ni ALLOY CASTING

Authorship

Pariona, Moisés Meza; Benina, Luiz Claudio; Canté, Manuel Venceslau; Spinelli, José Eduardo; Garcia, Amauri

Pariona, Moisés Meza

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Benina, Luiz Claudio

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Canté, Manuel Venceslau

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Spinelli, José Eduardo

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Garcia, Amauri

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DOI

10.5151/2594-5327-0015

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Abstract

O objetivo deste trabalho foi analisar o campo térmico e o stress térmico obtidos pelas técnicas teórico e experimental. Inicialmente, foi realizada a solidificação direcional vertical ascendente da liga Al-1wt%Ni em condições transitórias de extração de calor. A base do molde foi fabricada em aço carbono AISI 1020, por onde o calor foi extraído direcionalmente através do fluxo de água fria. A simulação numérica foi realizada pela técnica de elementos finitos e software Ansys. Como molde para este processo foi usado o aço inoxidável, a parte lateral interna deste molde foi coberto com alumina isolante para minimizar as perdas de calor radial. A condição de contato térmico na interface metal/molde foi padronizada com a superfície de extração de calor da base na condição polida. O coeficiente de transferência de calor transiente no contato metal/molde foi determinado pelo método do problema inverso de condução de calor. Por meio do processo de simulação da solidificação, foi determinado o campo de stress térmico do sistema metal fundido-molde. Através deste estudo do sistema metal fundido-molde foi possível determinar as diferentes variáveis térmicas, entre elas, a velocidade de resfriamento, gradiente térmico e campos convectivos. O rechupe que se apresenta na fundição também foi simulado, mostrando concordância com os resultados experimentais. De maneira geral, foi possível observar a evolução do processo da solidificação ligado com os diferentes fenômenos que ocorrem neste processo, particularmente o campo térmico e o campo do stress térmico.

The main goal of this work was to analyze the thermal and stress fields obtained by both experimental and theoretical techniques. Firstly, an Al-1wt%Ni hypoeutectic alloy was directionally solidified under upward unsteady-state heat flow conditions. The heat was directionally extracted only through a water-cooled bottom made of carbon steel AISI 1020. Numerical simulations were carried out by using the technique of finite elements (FE) and the commercial application Ansys. A stainless steel split mold was used in this process. The lateral inner mold surface was covered with a layer of insulating alumina to minimize radial heat losses. The thermal contact condition at the metal/mold interface was standardized with the heat-extracting surface at the mold bottom. The overall transient metal/coolant heat transfer coefficient was determined by the IHCP (Inverse Heat Conduction Problem) method. Therefore, after the solidification simulation, the thermal stress fields of the casting-mold system were determined. It was possible to determine the whole thermal field of the studied casting-mold system, which includes the effects of different thermal variables, such as: cooling rates, thermal gradients and convective fields. The casting shrinkage has also been modeled and the simulated thermal profile has fitted well the experimental evidences. In sum, it was possible to observe the evolution of the solidification process connected with the different phenomena that occur in this process, particularly thermal and stress fields.

Keywords

Fundição Al-Ni; Análise térmica; Stress térmico; Solidificação direcional.

Al-Ni castings; Thermal analysis; Thermal stress; Directional solidification.