Simulazione di transizioni di fase diffusive e deformative

Abstract

Il calcolo degli organi di macchina richiede una descrizione molto accurata delle caratteristiche del materiale;
ciò non può prescindere dalla descrizione dei trattamenti termici ai quali il pezzo è stato sottoposto.
La simulazione dei trattamenti termici degli acciai viene normalmente affrontata mediante modelli di natura
fenomenologica che fanno largo uso di leggi empiriche per descrivere l’evoluzione della microstruttura
all’interno del pezzo. Tuttavia, l’impiego di leggi empiriche richiede un’apposita taratura dei parametri del
modello; inoltre tali leggi, per loro natura, non chiariscono fino in fondo le ragioni fisiche per le quali i
fenomeni in gioco avvengono. Ne consegue che tale metodo è fortemente limitato nella sua generalità.
Il problema può essere affrontato nella sua globalità, ossia prendendo in considerazione gli effetti termici,
meccanici e di transizione di fase, partendo da una descrizione della struttura interna del materiale a scala
microscopica ed inserita in un contesto termodinamicamente consistente.
In particolare, in questo lavoro viene proposto un modello a parametri di fase alla scala microscopica capace
di descrivere trasformazioni di fase sia diffusive sia deformative e dunque di modellare, rispettivamente, la
trasformazione da austenite a perlite e quella da austenite a martensite. Il modello, per la formulazione e la
sua natura, risulta consistente con i principi della termodinamica e permette una descrizione delle
trasformazioni diffusiva e deformativa e dei fenomeni termici in un contesto unificato.
Le equazioni sulle quali si basa sono: l’equazione del moto, il bilancio della massa di carbonio (che porta alla
equazione di Cahn-Hilliard) e l’equazione del calore completa, che deriva dal bilancio di energia interna. A
causa della natura non-locale del modello e della presenza di equazioni differenziali alle derivate parziali fino
al quarto ordine, la soluzione del problema così formulato risulta complessa da un punto di vista
computazionale; per questo motivo è stato messo a punto uno strumento numerico sofisticato ma robusto.
Sono stati inoltre condotti alcuni test numerici che mostrano le potenzialità dell’approccio. Il modello risulta
capace di cogliere le principali caratteristiche esibite alla scala microscopica dalle transizioni di fase perlitica
e martensitica, le interazioni fra queste e l’influenza dei fenomeni meccanici e termici.