Research

 

Determinación de la cinética de crecimiento de grano durante la solidificación de una aleación eutéctica Al-Cu

 

M. Morua-Ramírez*, M. Ramírez-Argaez*, C. González-Rivera*, A. Juárez-Hernández** y M. Herrera-Trejo***

 

* Departamento de Ingeniería Metalúrgica, Facultad de Química, UNAM, Edificio "D" Circuito de los Institutos s/n, Cd. Universitaria, México, 04510, D. F., México. e-mail: carlosgr@unam.mx

** Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Universidad Autónoma de Nuevo León, FIME, Pedro de Alba s/n, Ciudad Universitaria, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, 66450, México.

*** Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del Instituto Politécnico Nacional-Unidad Saltillo, Apartado Postal 663, Saltillo, 25000 Coah., México.

 

Received 11 October 2013
accepted 27 February 2014

 

Resumen

En este trabajo se aplica una metodología para describir cuantitativamente el crecimiento del grano durante la solidificación de una aleación de Al-Cu con composición cercana a la eutéctica, utilizando curvas de enfriamiento, densidad de granos por unidad de volumen y datos de evolución de la fracción sólida. La metodología supone el libre crecimiento del grano y una dependencia exponencial de la velocidad de crecimiento de los granos con respecto al subenfriamiento. La información recopilada se procesa numéricamente con el fin de encontrar los valores numéricos de los parámetros pre-exponencial y exponencial que caracterizan la cinética de crecimiento de grano en función del subenfriamiento. La evolución de la fracción sólida en la muestra durante la solidificación se determina aplicando el análisis térmico de Fourier (FTA) así como el método de análisis térmico de Newton (NTA), con el fin de comparar sus mediciones. La densidad de granos por unidad de volumen se obtiene utilizando métodos metalográficos. Todos los parámetros obtenidos fueron alimentados en un modelo mecanístico elaborado como parte de este trabajo para validar la metodología. Se encontró una buena concordancia entre los datos experimentales y las curvas de enfriamiento simuladas, sugiriendo que esta metodología podría ser utilizada para generar información útil necesaria para simular la solidificación eutéctica. El método de NTA es menos eficaz que el método de FTA para obtener los parámetros de crecimiento, pero su simplicidad justifica su uso como una primera aproximación.

Descriptores: Cinética de solidificación; crecimiento de grano; análisis térmico de Newton y de Fourier; modelado determinístico.

 

Abstract

In this work a methodology is applied to describe quantitatively grain growth during solidification of a near eutectic Al-Cu alloy using cooling curves, volume grain density and solid fraction evolution data. The methodology assumes free grain growth before impingement and an exponential dependence of the grain growth rate on undercooling. Information collected is processed numerically in order to find numerical values for the pre-exponential and exponential parameters that characterize the grain growth kinetics as a function of undercooling. The evolution of solid fraction in the sample during solidification is determined by applying the Fourier (FTA) and the Newton (NTA) thermal analysis methods in order to compare their performances. The volume grain density is obtained using metallographic methods. All the obtained parameters were feed into a mechanistic model, elaborated as a part of this work, to validate the methodology. It was found a relatively good agreement between the experimental and the predicted cooling curves, which suggest that this methodology could be used to generate useful information needed to simulate eutectic solidification. NTA method is less effective than FTA method to obtain the growth parameters but its simplicity justifies its use as a first approach.

Keywords: Solidification kinetics; grain growth; Newton and Fourier thermal analysis; deterministic modelling.

 

PACS: 64.70.D-; 81.30.Fb

 

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Agradecimientos

Se agradece a la DGAPA de la UNAM, Proyecto PAPIIT IN113912, por el financiamiento para la experimentación, a CONACYT por el apoyo financiero para la beca doctoral asignada a M. Morua, y por el apoyo técnico se agradece a A. Ruiz, C. Atlatenco y A. Amaro.

 

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