Caracterización de la cinética de formación de austenita durante el calentamiento continuo de un acero microaleado experimental de alta resistencia

Transcripción

1 CONGRESO INTERNACIONAL DE METALURGIA Y MATERIALES SAM-CONAMET/IBEROMAT/MATERIA 214 SANTA FE, ARGENTINA OCTUBRE, 214 Nota: Esta primera página se utilizará como portada del trabajo y ella deberá incluir el Tópico, el Título, los Autores y las Afiliaciones. Tópico: S5. Tratamientos térmicos y transformaciones de fase Caracterización de la cinética de formación de austenita durante el calentamiento continuo de un acero microaleado experimental de alta resistencia E. López-Martínez a, O. Vázquez-Gómez a, H.J. Vergara-Hernández b, B. Campillo a,c a Facultad de Qímica, Departamento de Ingeniería Metalúrgica, Universidad Nacional Autónoma de México, Ciudad Universitaria, México D. F. 451, México b Instituto Tecnológico de Morelia, Av.Tecnológico 15, Lomas de Santiagito, Morelia 583,México c Instituto de Ciencias Físicas, Universidad Nacional Autónoma de México, A v. Universidad s/n, Cuernavaca 6221, México Preferencia de presentación: poster

2 CONGRESO INTERNACIONAL DE METALURGIA Y MATERIALES SAM-CONAMET/IBEROMAT/MATERIA SANTA FE, ARGENTINA OCTUBRE, 214 Tópico: S5. Tratamientos térmicos y transformaciones de fase Caracterización de la cinética de formación de austenita durante el calentamiento continuo de un acero microaleado experimental de alta resistencia E. López-Martínez a *, O. Vázquez-Gómez a, H.J. Vergara-Hernández b, B. Campillo a,c a Facultad de Qímica, Departamento de Ingeniería Metalúrgica, Universidad Nacional Autónoma de México,Ciudad Universitaria, México D. F. 451, México b Instituto Tecnológico de Morelia, Av.Tecnológico 15, Lomas de Santiagito, Morelia 583,México c Instituto de Ciencias Físicas, Universidad Nacional Autónoma de México, A v. Universidad s/n, Cuernavaca 6221, México *Autor correspondiente.dirección de correo electrónico: edgar92@comunidad.unam.mx A B S T R A C T In the present work, the kinetics of austenite formation in continuous heating of an experimental microalloyed high strength steel (yield strength ~ 827 MPa), which presents an initial microstructure composed of martensite and bainite, was determined. In cylindrical samples of the microalloyed steel, differential dilatometry tests at heating rates in the range of 2 to 4 C / min in an inert atmosphere were performed. The kinetic and the critical temperatures of formation of austenite were determined by analyzing the dilatometric curves that relate the length change and its first derivative with respect to temperature. It was observed that increasing the heating rate, critical temperatures of austenite formation increased; however, the formation ranges were decreased. With this information, continuous heating transformation diagram was constructed. Once the kinetics of austenite formation was obtained, the kinetic parameters were correlated by setting the Avrami equation. Keywords: Microalloyed steels, Dilatometry, Continuous heating transformation diagram, Kinetics of austenite formation. R E S U M E N En el presente trabajo, se determinó la cinética de formación de austenita en calentamiento continuo de un acero microaleado experimental de alta resistencia (esfuerzo de fluencia ~827 MPa), el cuál presenta una microestructura inicial compuesta de martensita y bainita. En probetas cilíndricas del acero microaleado bajo estudio, se realizaron pruebas de dilatometría diferencial a rapideces de calentamiento en el rango de 2 a 4 C/min en una atmósfera inerte. La cinética de formación y las temperaturas críticas de formación de austenita se determinaron mediante el análisis de las curvas dilatométricas que relacionan el cambio de longitud y su primera derivada con respecto a la temperatura. Se observó que al aumentar la rapidez de calentamiento, las temperaturas críticas de formación de austenita se incrementaron, sin embargo, los rangos de transformación disminuyeron. Con esta información, se construyó el diagrama de transformación en calentamiento continuo. Una vez que se obtuvo la cinética de formación de austenita, se correlacionaron los parámetros cinéticos mediante el ajuste con la ecuación de Avrami. Palabras Clave: Aceros microaleados, Dilatometría, Diagrama de transformación en calentamiento continuo, Cinética de formación de austenita. 1. Introducción El acero sin duda es el material estructural que mayor impacto tiene a nivel mundial debido a la combinación tanto de propiedades mecánicas, comportamiento mecánico y bajo costo. Dentro de los aceros, los aceros microaleados, han adquirido una gran ventaja sobre los aceros tratables térmicamente, debido a que se puede obtener microestructuras y propiedades mecánicas finales mediante tratamientos termomecánicos. Durante la fabricación de un componente metalúrgico-mecánico, estos aceros están sometidos a uno o varios procesos que involucran ciclos de calentamiento, tales como: procesos termomecánicos, tratamientos térmicos y soldadura, lo cual alterara la microestructura y las propiedades mecánicas finales. A pesar de que el ciclo de calentamiento para lograr la austenización es el primer paso para cualquiera de estos procesos, se le da poca importancia. Los principales objetivos de la austenización son: transformar la microestructura inicial en austenita, controlar el tamaño de grano austenítico y homogenizar químicamente los elementos aleantes. Para aceros hipoeutectoides perliticos-ferríticos, la formación de austenita en calentamiento continuo consiste de dos etapas: disolución de la perlita y transformación de ferrita proeutectoide a austenita [1, 2]. La disolución de la perlita inicia a la temperatura A s1 y finaliza en la temperatura A f1; a partir de esta temperatura se inicia la formación de austenita mediante la transformación de la ferrita proeutectoide hasta alcanzar la temperatura A c3 donde la ferrita ha sido consumida en su totalidad.

3 2 CONGRESO INTERNACIONAL DE METALURGIA Y MATERIALES SAM-CONAMET/IBEROMAT/MATERIA 214 Para aceros bainíticos, a bajas rapideces de calentamiento, la formación de austenita también ocurre en dos etapas: la primera etapa empieza en la temperatura A s1 con la disolución de carburos y finaliza en la temperatura A f1, a esta misma temperatura inicia la segunda etapa que es la transformación de la ferrita bainítica remanente y finaliza a la temperatura A c3 [3]. Para aceros martensíticos, también a bajas rapideces de calentamiento la formación de austenita se da en dos etapas, en donde la primera corresponde a la precipitación de carburos y la segunda a la formación e austenita. Tanto para aceros bainíticos como para aceros martensíticos, a bajas rapideces de calentamiento, el mecanismo de formación de austenita es por difusión [4, 5]. Las temperaturas A f1 y A c3 se conocen como las temperaturas críticas de transformación. Para aceros perlíticos y bainíticos, con el aumento de la rapidez de calentamiento, las diferencias entre las temperaturas críticas (A f1-a s1 y A c3-a f1) aumenta mientras que para aceros martensíticos se mantienen [6]. Estas temperaturas son de gran importancia en los procesos termomecánicos y en los tratamientos térmicos debido a que limitan la zona intercrítica de transformación, por ejemplo, en la producción de aceros de doble fase (DP: dual phase) se requiere de un adecuado conocimiento de las temperaturas críticas A f1 y A c3 para conocer la extensión de formación de austenita. El objetivo de este trabajo fue estudiar la cinética de formación de austenita en calentamiento continuo de un acero microaleado experimental de alta resistencia con muy bajo contenido de carbono, el cual presenta una microestructura inicial de bainita y martensita. 2. Procedimiento experimental Se estudio un acero microaleado experimental de alta resistencia (esfuerzo de fluencia ~827MPa) con una microestructura inicial de martensita y bainita (Figura 1). La composición química de este acero se muestra en la Tabla 1. A partir de placas, se maquinaron probetas cilíndricas de 16 mm de altura por 7 mm de diámetro. Cada probeta fue sometida a una rapidez de calentamiento continuo de: 2, 6, 1, 2 y 4 C/min, hasta una temperatura final de C. Las pruebas se realizaron en un dilatómetro vertical Linseis serie L75V bajo una atmosfera inerte de argón. De estas pruebas se obtuvo el cambio de longitud con respecto a la temperatura (curvas dilatométricas). 3. Resultados y análisis La Figura 2, muestra la curva dilatométrica y su primera derivada con respecto a la temperatura para una rapidez de calentamiento de. Se observa que a temperaturas menores a 7 C, conforme la temperatura aumenta, el cambio de longitud aumenta linealmente con respecto a la temperatura. A este cambio se le conoce como el coeficiente de expansión térmica. Entre 682 C y 97 C, se observan tres máximos en la primera derivada de la curva dilatométrica, los cuales están relacionados con dos etapas de transformación de fase. Alrededor de los 682 C, se observa una contracción en la curva dilatométrica, y una pendiente negativa en su primera derivada. A éste cambio en esta curva, se le atribuye al inicio de una transformación de fase o el inicio de la primera etapa. La pendiente negativa continúa hasta antes de los 8 C, en donde antes de alcanzar el valor de cero, en un muy estrecho rango de temperaturas, se vuelve positiva. A este cambio de pendiente se le atribuye al fin de la primera etapa y el inicio de la segunda. Posteriormente, nuevamente se obtiene una pendiente negativa que cambia a positiva alrededor de los 85 C hasta alcanzar un máximo alrededor de los 97 C a lo cual se le atribuye el fin de la transformación de la segunda etapa. Estos cambios que se dan en éste intervalo de temperaturas (entre 682 C y 97 C), están asociados a la formación de austenita. Se observan tres temperaturas críticas a 682 C, 766 C y 97 C correspondientes a A s1, A f1 y A c3 respectivamente, por lo que la formación de austenita se da en dos etapas [1-3, 7]. Para el caso de aceros que contienen perlita, A s1 corresponde a la temperatura de inicio de formación de austenita a partir de perlita y A f1 al fin de la formación de austenita a partir de perlita, es decir, cuando toda la perlita se ha consumido y A c3 al fin de la formación de austenita a partir de ferrita proeutectoide [1, 2, 8-1]. Para aceros martensíticos, primero se da una etapa de precipitación de carburos que correspondería a la temperatura A s1, para posteriormente iniciar la formación de austenita a la temperatura A f1 y finalizar a la temperatura A c3 [11] Figure 1 Microestructura del material base. Microestructura revelada con el reactivo LePera. Tabla 1 Composición química del acero microaleado experimental, en %p. %C %Si %Mn %Ni %Nb %Ti %N L, m A s1 L d( L)/dT Figura 2. Determinación de las temperaturas críticas mediante el cálculo de la derivada. A f1 A c d( L)/dT, m/ C

4 CONGRESO INTERNACIONAL DE METALURGIA Y MATERIALES SAM-CONAMET/IBEROMAT/MATERIA La Figura 3 muestra las temperaturas críticas de transformación en función de la rapidez de calentamiento. Se observa que conforme la rapidez de calentamiento aumenta, las temperaturas críticas también aumentan, pero A s1 se incrementa más rápido en comparación con A f1 y A c3. Esto da como resultado que la diferencia entre estas temperaturas sea menor a rapideces de calentamiento mayores a 1 C/min en comparación a rapideces menores (Figura 4). Con estas temperaturas, se construyó el diagrama de transformación en calentamiento continuo (Figur a 5). Se observa que con el aumento de la rapidez de calentamiento, la A f1 se aproxima a A s1, hasta una rapidez de calentamiento de 2 C/min lo cual corresponde con Oliveira et al [1]; es decir, cuando aumenta la rapidez de calentamiento, la formación de austenita tiende a realizarse en una etapa [3]. Sin embargo, a la rapidez de calentamiento de 4 C/min, A f1 se separa de A s1, lo cual se puede deber a un efecto de la martensita presente originalmente. 75 As1 7 Af1 Ac Rapidez de calentamiento, C/min Figura 3. Temperaturas críticas de transformación en función de la rapidez de calentamiento. T, C A c3 - A s1 A c3 - A f1 A f1 - A s Rapidez de calentamiento, C/min Figura 4. Diferencias de temperaturas entre A c1, A f y A c3 en función de la rapidez de calentamiento A c3 A f1 A s1 2 C/min 4 C/min 1 C/min 6 C/min Log t, s Figura 5. Diagrama de transformación en calentamiento continuo. A: austenita; F: ferrita; C: carburos. Con los datos de las curvas dilatométricas, se determinó la fracción en volumen de austenita formada ( f ) durante calentamiento continuo como una función de la temperatura para cada rapidez de calentamiento. Para esto, se obtuvieron dos ecuaciones lineales que corresponden a la parte lineal de la curva dilatométrica antes de iniciar la formación de austenita, L1 T, y después de finalizar la formación, L2 T. A partir de estas ecuaciones y la regla de la palanca se determinó la fracción en volumen como se muestra en la Figura 6 [12]. Con este procedimiento se obtiene la fracción en volumen de austenita formada en función de la temperatura. Las mediciones dilatométricas están adquiridas en función del tiempo y la temperatura, por lo que es posible correlacionar la fracción en volumen de austenita con respecto al tiempo y obtener así la cinética de formación. La Figura 7 presenta con símbolos la cinética de formación de austenita para las cinco rapideces de calentamiento probadas. Se observa que las curvas muestran un comportamiento sigmoidal, el cual puede ajustarse mediante la ecuación de Avrami [13]: n f 1 exp() kt (1) Donde k y n son los parámetros cinéticos, los cuales fueron determinados mediante la regresión no lineal de la fracción en volumen de austenita con respecto al tiempo utilizando el software SigmaPlot V.1. La Tabla 2 presenta los valores de los parámetros cinéticos obtenidos mediante la regresión no lineal y los valores del coeficiente de correlación. Se observa que a rapideces de calentamiento de 2, 6 y 1 C/min, los valores de n permanecen casi constantes, pero con una tendencia a disminuir; sin embargo, a rapideces superiores a 1 C/min, n tiende a aumentar. El valor de n está relacionado con los sitios de nucleación, por lo que esto indicaría que existen mayores sitios de nucleación a rapideces de calentamiento de 2 y 4 C/min. Por otro lado, se sabe que el parámetro k está relacionado con la rapidez de nucleación y crecimiento. De los resultados obtenidos, las temperaturas A s1, A f1 y A c3 aumentan con el aumento de la rapidez de calentamiento, lo que propicia una mayor rapidez de nucleación y crecimiento. Esto último explica el aumento de valor del parámetro k con el aumento de la rapidez de calentamiento. A A + F A + F + C F + C

5 4 CONGRESO INTERNACIONAL DE METALURGIA Y MATERIALES SAM-CONAMET/IBEROMAT/MATERIA 214 L, m Figura 6. Ilustración del procedimiento para obtener la fracción en volumen de austenita formada para una rapidez de calentamiento de. Fracción formada de austenita 12 Figura 7. Fracción en volumen de austenita formada en función del tiempo. Simbolos: obtenida con la regla de la palanca; líneas: obtenidas con los parámetros cinéticos, n y k Tabla 2 Parámetros cinéticos de formación de austenita y coeficiente de correlación en función de la rapidez de calentamiento. Rapidez de calentamiento C/min C/min 1 C/min 2 C/min 4 C/min L2 (T) n, adimensional K, R 2, s -1 adimensional E E E E E Mediante el uso de estos parámetros en la ecuación de Avrami, se calculó las fracciones en volumen de austenita formadas para las cinco rapideces de calentamiento probadas, las cuales se muestran como líneas en la Figura 5. Los valores del coeficiente de correlación que se obtuvieron, indican que se realizó una buena aproximación, mediante la ecuación de Avrami, de las curvas experimentales. A(T) B(T) fv= (A(T) - B(T))/(A(T) - C(T)) Log t, s L1(T) C(T) Conclusión La cinética de formación de austenita del acero microaleado experimental de alta resistencia bajo estudio, se da en dos etapas, de lo cual se distinguen tres temperaturas de transformación que son función de la rapidez de calentamiento: A c1, A f y A c3. Con el aumento de la rapidez de calentamiento, la formación de austenita presenta tendencia a formarse en una etapa, pero a 4 C/min, aumenta la tendencia a formase en dos etapas. A diferencia de los aceros perlíticos-ferríticos y bainíticos, la diferencia entre las temperaturas críticas disminuye eb función de la rapidez de calentamiento. El parámetro n es casi independiente de la rapidez de calentamiento; pero el parámetro k si es función de esta rapidez. Agradecimientos Los autores agradecen al Programa de Apoyo para Proyectos de Investigación e Innovación Tecnológica a través del proyecto IN de la Universidad Nacional Autónoma de México y al Concejo Nacional de Ciencia y Tecnología a través del proyecto de Ciencia Básica Sep- Conacyt por el apoyo financiero otorgado. REFERENCIAS [1] F.L.G. Oliveira, M.S. Andrade, A.B. Cota, Materials Characterization, 58 (27) [2] B. Pawłowski, Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering, 54 (212) [3] M. Chang, H. Yu, Int J Miner Metall Mater, 2 (213) [4] M.M. Batista Lopes, A. Barros Cota, REM: Revista Escola de Minas, 67 (214) [5] L. Gomes de Carvalho, M. Spangler Andrade, R. Lesley Plaut, F. Mendes Souza, A.F. Padilha, Materials Research, 16 (213) [6] K.D. Clarke, C.J. Van Tyne, C.J. Vigil, R.E. Hackenberg, J. of Materi Eng and Perform, 2 (211) [7] F. Moszner, E. Povoden-Karadeniz, S. Pogatscher, P.J. Uggowitzer, Y. Estrin, S.S.A. Gerstl, E. Kozeschnik, J.F. Löffler, Acta Materialia, 72 (214) [8] F.G. Caballero, C. Capdevila, C.G. De Andrés, Journal of Materials Science, 37 (22) [9] D. San Martín, P.E.J. Rivera-Díaz-del-Castillo, C. García-de-Andrés, Scripta Materialia, 58 (28) [1] H. Azizi-Alizamini, M. Militzer, W. Poole, Metall and Mat Trans A, 42 (211) [11] J. Han, Y.K. Lee, Acta Materialia, 67 (214) [12] Y. Liu, D. Wang, F. Sommer, E.J. Mittemeijer, Acta Materialia, 56 (28) [13] M. Avrami, Journal of Chemical Physics, 8 (194)