A molecular dynamics simulation study of semi-solid-state Fe: high temperature elasticity and void formation in liquid

Abstract

-Hot tearing defects appear during the last steps of casting solidification of dendrites. The crystalline structure traps a small amount of liquid metal, which is depressed, and cavities are spontaneously initiated. Molecular dynamics (MD) simulations of pure iron are able to predict, on one hand, the high temperature elastic modulus of crystals, and on the other hand, the cavitation event in liquid metal and near the solid-liquid growth front. High values of elastic tensor components are predicted close to the melting temperature. We conclude that a weakening of the mechanical properties of the crystal is not the reason for failure initiation. The crystals are thinned by partial melting as the effect of negative pressure increases. The cavitation is spontaneously initiated under a very high negative pressure. The cavity expands very quickly and applies a pressure wave to the thinned crystals. We propose that this crystal thinning/pressure wave coupling is able to initiate cracks inside the crystal. Mots-clés :Dynamique moléculaire ; élasticité ; cavitation ; fer ; cristallisation Received 30 December 2013 Accepted 26 June 2014Résumé -La fissuration à chaud des aciers apparaît durant les derniers stades de la solidification des structures dendritiques. La structure cristalline est largement développée et piège une faible quantité de métal fondu qui est mise en dépression et cavite. La dynamique moléculaire (DM) de fer pur permet de prévoir, d'une part, l'évolution du module élastique du cristal à très haute température et, d'autre part, les conditions de cavitation du métal à l'état fondu et à proximité du cristal. Une valeur très élevée du module élastique est pré-dite même à la température de fusion. Ce n'est certainement pas la cause de l'amorçage de la fissuration. Elle est recherchée dans le phénomène de cavitation. Les cristaux fondent partiellement par l'application d'une dépression. Pour une très forte pression négative la cavitation est amorcée. Le volume de la cavité croit très rapidement vers des cristaux amincis et applique une onde de pression. Nous proposons que ce couplage amincissement/onde de pression peut amorcer la fissuration. D