Evaluación de propiedades elásticas de la fundición nodular empleando micromecánica computacional

ResumenLa fundición nodular es una aleación metálica de Fe-C-Si cuya microestructura está formada por una matriz, en general compuesta por ferrita y perlita, en la cual se encuentran embebidos nódulos de grafito. Al ser este un material microscópicamente heterogéneo, su comportamiento está definido por las propiedades, la morfología y la topología de las fases que lo componen. En este trabajo se plantea como objetivo hallar el valor de las constantes elásticas, el módulo de Young y el coeficiente de Poisson, de un material homogéneo equivalente que caracteriza el comportamiento macroscópico de una fundición nodular. Para la estimación del comportamiento elástico se utiliza el método de homogeneización asintótica. Este método se aplica a celdas multipartículas tridimensionales y bidimensionales que se analizan mediante el método de los elementos finitos (MEF). Para la determinación del elemento de volumen representativo (RVE [representative volume element]) del comportamiento del material se utilizan 2 criterios, uno físico y otro geométrico, encontrándose que el tamaño del RVE es sensible al criterio utilizado para su definición. Las principales características microestructurales son extraídas de una simulación computacional de la solidificación del material. Se comparan los resultados obtenidos de la aplicación de los modelos tridimensionales y bidimensionales y se analiza la influencia del modelo utilizado en las propiedades analizadas. Del análisis de los resultados obtenidos se observa que los modelos que emplean celdas multipartícula tridimensionales requieren tamaños menores de la misma para ser representativos de la fundición nodular, es decir, los tamaños de los RVE tridimensionales son menores que los correspondientes bidimensionales. Se observa también que estos últimos presentan una respuesta elástica menos rígida en relación con los primeros.

Nodular cast iron is a Fe-C-Si metallic alloy whose microstructure consists of a matrix, composed in general of ferrite and pearlite, with graphite nodules embedded in it. Owing to its microscopical heterogeneity, the material response is governed by the properties, morphology and typology of the phases involved. This work reports on the evaluation of the elastic properties, i.e., Young's modulus and Poisson's ratio, of an equivalent homogeneous material that characterizes the macroscopic response of a nodular cast iron. Asymptotic homogenization is used to this end. This approach is applied to both 3D and 2D multiparticle cells simulated via the finite element method. Two different physically and geometrically-based criteria are considered to estimate the representative volume element (RVE), where the size of the RVE is found to be sensitive to the chosen criterion. The main microstructural features are obtained from a computational simulation of the solidification process of the material. The numerical predictions computed for the 3D and 2D cases are compared and discussed in terms of the resulting elastic properties. It is observed that the models employing 3D multiparticle cells require lower RVE sizes than the corresponding 2D models, where the latter present a stiffer elastic response.