Solidification at the Micro-Scale

Abstract

The experimental determination and computer simulation of the micro-segregation accompanying the solidification of alloys continues to be a subject of much academic and industrial interest. Both are subject to progressively more sophisticated analyses, and a discussion is offered regarding the development and practical use of such studies. Simple steels are particularly difficult targets for such work: solidification does not end conveniently in a eutectic, the rapid diffusion particularly in the delta-ferrite phase obscures most evidence of what had occurred at the micro-scale during solidification, and one or more subsequent solid state phase transformations further obscure such details. Also, solidification at the micro-scale is inherently variable: the usual, dendrite morphologies encountered are, after all, instabilities in growth behaviour, and therefore such variability should be expected. For questions such as the relative susceptibility of different grades to particular problems, it is the average, typical behaviour that is of interest, whereas for other questions such as the on-set of macro-segregation, the local variability is paramount. Depending on the question being asked, and indeed the accuracy with which validatory data are available, simple pseudo-analytical equations employing various limiting assumptions, or sophisticated models which remove the need for most such limitations, could be appropriate. This paper highlights the contribution to such studies of various collaborative research forums with-in the European Union with which the author is involved. Die experimentelle Bestimmung und die Computersimulation von Mikroseigerungen, die bei der Erstarrung von Legierungen auftreten, sind weiterhin Themen von hohem akademischem und industriellem Interesse. Beide sind Gegenstand zunehmend hochentwickelter Analysen, und eine Diskussion über die Entwicklung und den praktischen Nutzen solcher Studien ist in Gang gekommen. Einfache Stähle sind für solche Untersuchungen nur wenig geeignet: Die Erstarrung endet nicht in einem Eutektikum, die schnelle Diffusion insbesondere im Delta-Ferrit verdeckt die Spuren der Vorgänge, die sich im Mikrobereich während der Erstarrung abgespielt haben, und eine oder mehrere nachfolgende Phasenumwandlungen im festen Zustand überdecken weitere Einzelheiten. Darüber hinaus zeigt eine Erstarrung im Mikrobereich schon an sich viele Formen: die gewöhnlich anzutreffenden dendritischen Formen sind auf Instabilitäten im Wachstumsverhalten zurückzuführen, und deshalb ist mit Schwankungen zu rechnen. Bei Fragen wie der relativen Anfälligkeit verschiedener Stahlgüten für bestimmte Probleme ist das durchschnittliche, typische Verhalten von Interesse, wohingegen für andere Fragen wie das Auftreten von Makroseigerungen die lokalen Schwankungen ausschlaggebend sind. Je nach Fragestellung und je nachdem, mit welcher Genauigkeit Testdaten zur Verfügung stehen, sind einfache pseudo-analytische Gleichungen mit mehreren Randbedingungen geeignet oder hochentwickelte Modelle ohne Notwendigkeit für solche Begrenzungen. Diese Arbeit stellt heraus, welchen Beitrag verschiedene Gemeinschafts-Forschungsprogramme in der Europäischen Union, in die der Autor eingebunden ist, für solchen Studien leisten.