Transformaciones de fase displacivas durante el ausforming en acero con contenido medio en carbono y alto en silicio
Los procesos tradicionales de fabricación de piezas mecánicas de acero incluyen un tratamiento termo-mecánico, en el que el acero se deforma a temperaturas altas con el fin de obtener una cierta geometría de la pieza y optimizar la estructura del material. Durante las últimas décadas, se han modificado algunos procesos de laminación en caliente, introduciendo una última pasada de deformación a temperaturas intermedias. La aplicación de deformación a temperaturas intermedias y la consiguiente modificación de la estructura austenítica tiene el objetivo de modificar las transformaciones de fase alotrópicas que suceden durante la propia deformación o durante el tratamiento térmico que se realiza tras el proceso de deformación. En este contexto, se aplican los tratamientos termo-mecánicos de ausforming, tratamientos en los cuales la estructura austenítica se deforma plásticamente a temperaturas intermedias, por debajo de la temperatura crítica Ar3, previamente a la transformación y obtención de microestructuras de tipo displacivo, como la martensita y/o la bainita.
El efecto de la deformación a temperaturas intermedias en las transformaciones displacivas en aceros ha sido estudiado durante los últimos años, aunque todavía no se conocen todos los mecanismos que controlan estas transformaciones. Entender dichos mecanismos podría ayudar a optimizar ciertos procesos de fabricación, mejorando las propiedades mecánicas respecto a las de otras estructuras formadas por procesos más convencionales.
En este trabajo, se estudia el efecto de la deformación en las transformaciones de fase que tienen lugar durante un tratamiento de ausforming a temperaturas intermedias en un acero comercial con un contenido medio en C (0,4% en peso), un alto contenido en Si (3,0% en peso) y otros elementos tales como cromo (Cr), molibdeno (Mo) o manganeso (Mn) – 5,2% en peso en total, sumando la contribución de todos los elementos sustitucionales. Para ello, tras austenizar completamente el acero, se han realizado diferentes tratamientos termo-mecánicos en un Dilatómetro de Alta Resolución, que permite medir las diferencias de longitud de la muestra durante el tratamiento térmico, para posteriormente asociar dichos cambios de longitud con transformaciones de fase. En primer lugar, se ha estudiado la formación de fases durante la aplicación de deformación a media temperatura. Para ello, se ha deformado el acero completamente austenizado mediante compresión a 520, 400 y 300 °C hasta un nivel de deformación ingenieril de 10% y se ha enfriado rápidamente (temple) la microestructura obtenida, ver tratamiento D+T en figura 1. Las microestructuras obtenidas se han comparado con la microestructura obtenida por el mismo tratamiento, en ausencia de deformación, tratamiento T en figura 1. El estudio de Microscopía Electrónica de Barrido que se muestra en la figura 2, complementado con otra caracterización complementaria, por medio de técnicas como Difracción de Rayos X o Dilatometría, ha permitido concluir que, durante el procesado de ausforming a 400 y 300 °C, la aplicación de deformación induce transformaciones bainíticas y martensíticas promovidas por el aumento de energía libre asociada a la aplicación de una tensión. Estas microestructuras pueden afectan notablemente a la microestructura final y, por tanto, es necesario identificarlas y conocer sus mecanismos de transformación, para evitar su formación, y así poder controlar su influencia en las propiedades finales del material.
Figura 1. Esquema de los tratamientos térmicos y termo-mecánicos que se han estudiado en esta tesis doctoral. Las siglas T, D+T, I y D+I se refieren a tratamiento de temple, tratamiento de deformación + temple, tratamiento isotérmico, y tratamiento + isotérmico (denominado ausforming en este trabajo). *Las figuras son réplicas de figuras de la referencia.
Figura 2. (a) Micrografías SEM de las microestructuras obtenidas tras aplicar el tratamiento de temple T y (b-d tras aplicar el tratamiento deformación y temple D con una TDEF de (b) 520 °C; (c) 400 °C y (d) 300 °C. *Las figuras son réplicas de figuras de la referencia.
A continuación, se han realizado los tratamientos finales de ausforming, durante los cuales se han aplicado las mismas condiciones de deformación previamente descritas, seguidas de un tratamiento isotérmico a 300 °C, en el rango bainítico (tratamiento D+I en figura 1). Los resultados se han comparado con aquellos obtenidos mediante un tratamiento isotérmico a 300 °C, sin deformación, tratamiento I en figura 1. Se ha demostrado que la aplicación de deformación previa en la austenita altera el carácter isótropo de la transformación bainítica, de manera que, cuando la temperatura de deformación es 400 y 300 °C, la señal dilatométrica durante la etapa isotérmica de los tratamientos de ausforming presenta diferentes cambios de longitud relativa dependiendo de la dirección de medida, radial o longitudinal, ver figura 3(a). La transformación bainítica ha permitido estabilizar completamente la austenita retenida, de manera que no se observan transformaciones de fase durante el enfriamiento final a temperatura ambiente, como se observa en figura 3(b).
Figura 3. Cambio de longitud relativo en función (a) del tiempo a 300 °C y (b) de la temperatura durante el enfriamiento hasta temperatura ambiente, registrado durante los tratamientos isotérmico I y de ausforming D+I. *Las figuras son réplicas de figuras de la referencia.
Caracterización microestructural posterior ha demostrado que la aplicación de una deformación previa en la austenita favorece que las placas de ferrita bainítica crezcan orientadas a +/-45º con respecto a la dirección de compresión, ver figura 4, lo que indica que ocurre un fenómeno de selección de variantes asociado a la anisotropía de transformación previamente mencionada. Además, se han observado diferencias microestructurales dependiendo de la localización de la microestructura, lo que se ha atribuido al efecto de la tensión o de la deformación plástica.
Figura 4. Micrografías de SEM correspondientes a muestras tratadas mediante: (a-c) isotérmico I; ausforming D+I a (d-f) TDEF = 520 °C; (g-i) TDEF = 400 °C; (j-l) TDEF = 300 °C. Las micrografías se han tomado en las regiones: (a, d, g, j) centro-transversal CT; (b, e, h, k) centro-longitudinal CL y (c, f, i, l) borde-longitudinal BL, donde la dirección de compresión es vertical en las dos últimas regiones vertical. *Las figuras son réplicas de figuras de la referencia.
Referencias
Eres-Castellanos, Adriana. ‘Efecto de la deformación plástica de la austenita en las transformaciones de fase displacivas que tienen lugar durante un tratamiento de ausforming en un acero con un contenido medio en carbono y alto en silicio’. Diss. Universidad Internacional Menéndez Pelayo (UIMP), 2021.
Este trabajo fue ‘Mención honorífica’ del II Premio Manuel Heredia concedido por Unesid, Unión de Empresas Siderúrgicas.
