Modelling of fast sintering by the discrete element method: deployment, application, and validation

Abstract

O presente trabalho teve como objetivo desenvolver um modelo numérico original para revelar o comportamento termomicromecânico de sistemas particulados e seu processo de densificação sob sinterização em altas taxas de aquecimento. O modelo foi construído estendendo o modelo numérico de sinterização e acoplando-o a conceitos termomecânicos. O modelo foi desenvolvido pelo método dos elementos discretos, no software MUSEN. A formulação aqui elaborada foi aplicada na sinterização rápida de Al2O3 e validada com dados experimentais da literatura. Foi dada ênfase à evolução dos gradientes térmicos e de densificação ao longo do comprimento da amostra e em função dos parâmetros taxa de aquecimento e temperatura de sinterização. A formação da microestrutura, retração e o progresso da frente de sinterização foram previstos pelo modelo. As relações entre defeitos internos, microestrutura, temperatura de sinterização e taxa de aquecimento foram posteriormente analisadas. Comparados com dados experimentais da literatura, os resultados numéricos apresentaram boa concordância, denotada pelo r2 = 0,98 e Pearson?s r = 0,99. For fim, a evolução da microestrutura através ao longo do processo em relação ao número de coordenação, distribuição do raio de contato normalizado, gradientes de temperatura ao longo do comprimento da amostra foram explorados.

Abstract: The present work aimed to develop an original numerical model to reveal the thermomicro-mechanical behavior of particulate systems and their densification process under sintering at high heating rates. The model was built by extending the numerical sintering model and coupling it with thermomechanical concepts. The model was developed using the discrete element method in the MUSEN software. The formulation elaborated here was applied to the rapid sintering of Al2O3 and validated with experimental data from the literature. Emphasis was given to the evolution of thermal and densification gradients along sample length and as a function of sintering parameters such as the heating rate and temperature. The model predicted the microstructure formation, shrinkage, and progress of the densification front. The relationships between internal defects, microstructure, sintering temperature, and heating rate were further analyzed. Compared with experimental data from the literature, the numerical results showed good agreement, denoted by r2 = 0.98 and Pearson?s r = 0.99. Finally, the evolution of the microstructure throughout the process concerning the coordination number, normalized contact radius distribution, and temperature gradients along the length of the sample were explored.