MODELADO DE LAS FUERZAS DE ARRASTRE SOBRE UNA PARTÍCULA ESFÉRICA DURANTE EL CRECIMIENTO DE GRANOS CON UNA INTERFASE CÓNCAVA

AGALIOTIS ELIANA M.; ROSENBERGER MARIO R.; ARES ALICIA E.; SCHVEZOV CARLOS E.

Bahia Blanca - Argentina

Congreso; IV Reunión de la Asociación Argentina de Cristalografía; 2008

A.A.Cr.

Durante el crecimiento de cristales la presencia de partículas genera una interacción entre ellas y la interfase de solidificación. Una interacción posible es la repulsión de las partículas, y como consecuencia la segregación de las mismas, lo que afecta a las propiedades mecánicas y físico-químicas finales del material. Se modeló y simuló la interacción entre una interfase de solidificación y una partícula esférica, inmersa en el material fundido. Este fenómeno ha sido estudiado pordiversos autores [1-3], con modelos experimentales y matemáticos. Los experimentos muestran que existe una velocidad crítica por encima de la cual no se produce la repulsión estacionaria y la partícula es atrapada en el sólido. Esta velocidad crítica disminuye con el aumento del tamaño de la partícula. El fenómeno depende de las propiedades, la naturaleza y la morfología de la partícula, el fundido, el sólido y los campos externos. Así, cuando la partícula es mejor conductora del calor que el medio la interfase es cóncava, si es mejor aislante la interfase es convexa y si es tan conductora como la matriz la interfase puede ser plana. Para un tratamiento más simple del problema se desacoplaron los campos térmicos y de fluidos de la siguiente manera: primero se calculó mediante la simulación únicamente el campo térmico y la forma de la interfase a tres diferentes radios de partícula y por lo menos seis separaciones partícula-interfase h(r), en el rango comprendido entre 2R y 10-8 m. Luego, a partir de cada una de las interfases obtenidas se construyó un modelo para calcular el flujo de fluidos únicamente, en el rango de velocidades comprendido entre 10-10 m/s y 8x10-4 m/s, el cual abarca las velocidades de interfase típicos en la solidificación de metales y donde se podría encontrar en estado estacionario de repulsión. La fuerza de arrastre sobre la partícula fue calculada utilizando dinámica de fluidos computacional  y representada en función de la velocidad de solidificación, el radio de la partícula y la separación partícula-interfase. En tercer lugar se calculó a partir de cada una de las interfases, obtenidas del modelo térmico, la fuerza de repulsión integrando numéricamente la ecuación de Casimir-Lifshitz-Van der Waals Una vez calculadas las Fa y Fr, en la forma descripta, se calcula el punto de equilibrio para cada una de las interfases obtenidas del modelo térmico. Por lo tanto, se obtiene una relación entre la separación partícula-interfase y la velocidad de interfase en la situación de equilibrio estacionario de repulsión. Los resultados muestran que una interfase cóncava genera mayores fuerzas de arrastre queuna interfase plana. Esto hace que la velocidad crítica sea menor que la correspondiente para una interfase plana y un mismo radio de partícula generando condiciones más severas para el estado estacionario de repulsión. La separación de equilibrio entre la partícula y la interfase para el estado de repulsión estacionario es menor para un interfase cóncava que para una interfase plana.