ACEROS DE CONSTRUCCIÓN DE PROPIEDADES ESPECIALES

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1 8º CONGRESO IBEROAMERICANO DE INGENIERIA MECANICA Cusco, 23 a 25 de Octubre del 2007 ACEROS DE CONSTRUCCIÓN DE PROPIEDADES ESPECIALES RESUMEN Zygmunt Haduch, Joel Guajardo *Departamento de Ingeniería Universidad de Monterrey, Morones Prieto 4500 San Pedro Garza García, N.L., México. zhaduch@udem.edu.mx El problema siempre actual en caso del acero como un material de construcción es la pregunta: Cómo llegar a alta resistencia y buena deformabilidad al mismo tiempo? Aumentando los elementos de aleación especialmente de carbono, sube la resistencia mecánica del acero pero se pierden las propiedades plásticas del material. Antes para la carrocería de autos se aplicaba acero al bajo carbono sin elementos de aleación, lo que si cumplía con buena deformabilidad, pero tenía baja resistencia mecánica, factor que hacía que en esos casos los ingenieros tuvieran que aumentar el grosor de la lámina y consecuentemente el peso de la estructura. En los últimos años se han elaborado varios tipos de aceros que conjuntan éstas propiedades de plasticidad y alta resistencia. Éstos son los aceros HSLA, TRIP y aceros de doble-fase. Varias compañías automotrices, entre ellas Toyota, ya fabrican chasises en sus automóviles con 30% de más resistencia y disminución de peso. En la ponencia se presentarán las últimas novedades en el diseño de aceros de propiedades especiales, de alta resistencia, deformabilidad y excelente soldabilidad, que sobrepasan a otros tipos de aceros, lo que es el futuro en la aplicación de aceros de construcción. Palabras clave: Acero, Alta Resistencia, Deformabilidad, Diseño estructural 752

2 INTRODUCCIÓN En la actualidad y en los últimos años, el área del desarrollo de materiales ha evolucionado enormemente con el descubrimiento y fabricación de materiales cada vez más singulares y cuyas propiedades son cada vez más adecuadas a las necesidades del mundo de la ingeniería actual. Uno de los materiales más versátiles debido a su relativa fácil fabricación y fácil manejo es el acero. Según datos estadísticos de la revista Steel World, el acero es el material más consumido a nivel mundial, solamente en el mes de Octubre del 2006 Estados Unidos produjo 10,893 miles de toneladas métricas de acero en productos terminados, mientras que la unión europea y el continente asiático consumieron 14,797 y 51,026 miles de toneladas métricas respectivamente. [2] La atención de los investigadores en área de ingeniería de materiales esta dirigida a búsqueda del material perfecto el que une las propiedades de alta resistencia mecánica y de fatiga, con relativamente buena ductilidad, soldabilidad y elevada resistencia a la corrosión. Esta tarea es actual especialmente en la industria automotriz en la cual se busca disminuir el peso de vehículo lo que se refleja en menor consumo de gasolina. Otra propiedad buscada es un material que presenta alto grado de endurecimiento por deformación lo que es importante en caso de un choque. Este tipo de aceros por poseer una elevada capacidad de absorber energías a impacto ofrecen una mayor seguridad frente al impacto en caso de accidente. La seguridad junto con la reducción de peso que se alcanza comparativamente con la utilización del acero común, han resultado factores clave para su interés en proyectos de investigación cuyos objetivos son los de alcanzar aceros que resulten competitivos con materiales metálicos como aluminio y no metálicos como los materiales compuestos. Sin embargo el acero no es un material perfecto, y es porque el gran problema que presenta es el reto siempre presente de ser un material capaz de ser tan duro y resistente como sea posible, pero además que sea suficientemente plástico para aplicar procesos tecnológicos basados en deformabilidad. Algunos de los aceros encontrados dentro de ésta categoría son los aceros HSLA (High Strenght Low Alloy), aceros TRIP y aceros de Doble Fase. En la actualidad, el Instituto Americano del hierro y el acero (AISI) y en conjunto con el departamento de energía Estadounidense (DOE), han estado desarrollando proyectos destinados a la conformación de aceros de alta resistencia (high-strenght steels), incluyéndose entre éstos los aceros de doble fase (dual-phase steels) y de transformación plástica inducida (TRIP steels), los cuales están actualmente siendo desarrollados internacionalmente alrededor del mundo en la industria del acero.[1] Pero la cuestión es, Porqué éstos aceros son tan interesantes y qué es lo que los hace tener propiedades únicas? Como se mencionó anteriormente, existen aceros para todo propósito, al permitírsele tener combinaciones con elementos aleantes, sus rangos en cuanto a propiedades le permiten ubicarse en una gran cantidad de usos o propósitos. Los llamados aceros de alta resistencia o high-strenght son muchas de las veces generados a partir de aceros al carbono, como en el caso de los aceros de doble fase, los cuales son tratados térmicamente para contener microestructuras ferrítico-martensiticas, para tener la alta dureza de la martensita y la ductilidad de la ferrita, o el caso de los aceros TRIP o de Transformación Plástica Inducida, los cuales a partir de algunos elementos aleantes logran llegar a una microestructura de matriz ferrítica con bainita y austenita retenida en donde la austenita retenida se transforma en martensita durante el procesamiento termomecánico y se evita tener que pasar por el tratamiento térmico y provee un material con excelente resistencia a la fatiga y excelentes propiedades de resistencia a la corrosión. Aceros de Doble Fase (Dual-Phase Steels) Los aceros de doble fase son una clase de aceros HSLA (Aceros bajo aleados de ultra resistencia). Este tipo de aceros de caracterizan por tener una resistencia tensil aproximada a los 550 MPa u 80,000 psi., están formados por una microestructura de alrededor de un 20% de martensita dispersa en una matriz dúctil de ferrita. La cantidad de fase martensítica puede ser regulada lo que cambia la relación entre resistencia y deformabilidad. El término doble fase, se refiere a la presencia de dos fases en la microestructura del acero, ferrita y martensita, además de otras fases dispersas en mucho menor relación como bainita, perlita y austenita retenida. Estudios efectuados en 1975 [1] muestran que el recocido efectuado entre temperaturas intercríticas (entre A1 y A3) para aceros bajo aleados Fig. 1, Representación de granos de ferrita y martensita, característicos de un acero bifásico.

3 (contenidos de carbono menores a.83%) presentaban estructuras bifásicas ferrítico-martensíticas con mayor ductilidad que aquellos aceros bajo aleados normalmente endurecidos por precipitación. Propiedades mecánicas de aceros doble fase [1] Propiedades mecánicas en caso de aceros de doble fase Ferritico martensíticos estas relacionadas con la cantidad de estas fases en la estructura. Amnentando el contenido de martensita crece la resistencia (Fig. 2.). En general, aceros de ferrita-martensita no muestran un punto de cedencia muy marcado. La combinación de altas tensiones residuales y una alta densidad de dislocación móvil en la ferrita provocan que la fluidez plástica ocurra fácilmente a bajas tensiones plásticas. Como resultado, la cedencia ocurre en muchos sitios a través de la ferrita, y la cedencia discontinua es suprimida. El comportamiento de endurecimiento de los aceros doble fase es muy complejo, especialmente en las primeras etapas. Sin embargo, se cree que el alto rango de endurecimiento inicial contribuye a la buena formabilidad de estos aceros, comparados con otros aceros HSLA de resistencia similar. Cedencia y resistencia a la tensión La resistencia de aceros doble fase se espera aumentar cuando cualquier fracción volumétrica o resistencia (dureza) de la fase martensita es aumentada (Fig. 2). Como ya fue mencionado, la resistencia de la martensita que depende primeramente en el carbón contenido en la fase, es determinada por las condiciones de templado intercrítico y el original contenido de carbón en el acero. La resistencia de la fase ferrita depende en el tamaño de grano y las contribuciones del endurecimiento de la solución sólida de los elementos aleantes. Una completa discusión en los factores de control de resistencia de aceros doble fase necesita el uso de más modelos sofisticados y continuos mecanismos. Fig,2. Relación de propiedades mecánicas de acero de doble fase en la relación del contenido de carbono y la fase de martensita. [9] Estructura de los Aceros de doble fase Es muy interesante la observación de la estructura de los aceros de doble fase, ya que a partir de ésta es posible obtener conclusiones a cerca de las capacidades mecánicas del acero. Lo más importante es identificar la fase martensítica y ferrítica. Siendo la martensita la fase más dura, al aumentarse la cantidad de ésta en proporción, aumenta también la resistencia del material bifásico. Desafortunadamente, al aumentar el contenido de martensita se reduce la ductilidad, por tal razón se determina que el volumen fraccional de martensita es normalmente restringido de un 10 a 20%. [4] Sin embargo, para mantener las propiedades de ductilidad en éste tipo de aceros es también necesario restringir los contenidos de carbono en ésta fase. A menores contenidos de carbono (>0.4%) se forma martensita de bajo carbono, la cual es preferible ya que no es tan frágil y ayuda a mantener la estructura de las fases ferrítico-martensítica. Por tal razón, es también sabido que en los aceros bifásicos regularmente se limita el contenido de carbono al 0.1% como máximo. Para ésas composiciones típicas

4 con contenidos típicos de martensita a un 15%, el acero bifásico muestra esfuerzos tensiles en el rango de entre 550 y 650 MPa. [4] Fig. 4, La micrografía muestra la estructura bifásica de un acero de bajo carbono, nótese cómo la martensita (partes obscuras), se encuentra dispersa en la ferrita, formando islas. [10] Las estructuras formadas por los aceros de doble fase se presentan a nivel granular como una matriz de Ferrita con islas de martensita (como se muestra en la figura 1) lo que da como resultado aceros resistentes a causa de la martensita y dúctiles a causa de la matriz ferrítica. En aceros de doble fase es posible tener contenidos variables de fases, es decir, se pueden obtener aceros bifásicos con altos contenidos de martensita y bajos contenidos de ferrita o viceversa, o bien aceros con contenidos intermedios entre estos porcentajes. Tal como muestra el diagrama hierro-carbono, (Fig.5) es posible experimentar con aceros templados desde temperaturas de 730ºC para obtener aceros bifásicos con altos contenidos de ferrita, o templar a temperaturas de 850ºC para obtener aceros bifásicos con altos contenidos de martensita. Fig. 5.- Diagrama fase para acero con 1.5% Mn [1] Las proporciones de martensita y ferrita en éste tipo de aceros es el mas importante indicador ya que a partir de ahí es posible regular las propiedades mecánicas deseadas en un material. Fig. 6, Diagrama de hierro-carbono, mostrando las temperaturas de calentamiento de aceros de bajo carbono, y su micro estructura resultante después del temple en agua.

5 La figura 6 muestra como varía el porcentaje de contenido de fases según la temperatura de temple, a los 800ºC se presenta una estructura con poca ferrita y mucha martensita, a los 775ºC se presenta una estructura con cantidades similares de ferrita y martensita, y a los 750ºC se presenta una estructura con una mayor cantidad de ferrita en la estructura. El acero bifásico es un material que debido a su capacidad de mantener alta resistencia y buena ductilidad en conjunto esta siendo cada vez más fabricado en muchos países, con la característica de uso de elementos microaleantes como Nb., Cr., V., para el refinamiento del grano y alta resistencia. Experimentación del Temple de Acero 1018 a distintas temperaturas El objetivo de las pruebas consiste en evaluar las propiedades mecánicas y estructura de un acero 1018 en distintos casos, de tal modo que se puedan hacer comparaciones sobre aceros en estado normal (virgen), aceros con estructura austenítica (normalizado desde 920ºC), aceros con estructura ferrítamartensita con mayor porcentaje de ferrita (Acero 1018 templado en agua desde 760ºC) y aceros con estructura ferríta-martensita con mayor porcentaje de martensita (Acero 1018 templado en agua desde 850ºC). 1. Acero 1018 virgen 2. Acero 1018 normalizado desde 920ºC 3. Acero 1018 templado en agua desde 760ºC 4. Acero 1018 templado en agua desde 850ºC Las pruebas se realizaron en el laboratorio de mecánica de la Universidad de Monterrey, el cual cuenta con el equipo necesario para la realización de las pruebas y procedimientos. La siguiente tabla muestra las especificaciones de tratamientos térmicos realizados en cada una de las probetas. Tabla. 1, Tabla de especificaciones para las pruebas realizadas en la fabricación de aceros bifásicos. *Las marcas se hicieron en cada una de las probetas para poder así identificarlas con facilidad. En la Tabla 2 se muestran las especificaciones de los tratamientos térmicos que se aplicaron a las probetas especificando el punto al que se hizo el calentamiento o punto crítico del proceso, el tiempo de mantenimiento para la homogenización térmica de la pieza, la velocidad de enfriamiento, y el medio de enfriamiento. Fig. 7, Diagrama de hierro-carbono, mostrando las temperaturas de calentamiento para las pruebas y su resultado después del temple.

6 Para la práctica industrial lo más importante es la temperatura de mantenimiento porque de ésta depende la cantidad de martensita formada y la concentración de carbono en la Austenita, con el incremento de temperatura, ésta concentración disminuye e influye a la transformación de γ a α durante el enfriamiento. La figura 8 muestra la influencia de temperatura de calentamiento y velocidad de enfriamiento a participación de Martensita en la estructura en un acero de 0.08 % C, 1.35% Mn, 0.35% Si y 0.12% V. donde, 1- Enfriamiento en agua 2- Enfriamiento a 30 K/s. Ésta influencia es muy importante en el desarrollo de aceros de dobla fase, ya que en relación a la proporción de martensita y austenita en el acero, se definen las propiedades mecánicas del material. En la siguiente sección se comentará acerca de las pruebas realizadas en los aceros fabricados, y se analizarán los resultados obtenidos para la observación de la influencia de dichas proporciones. Fig. 8, Diagrama de hierro-carbono, mostrando las temperaturas de calentamiento para las pruebas y su resultado después del temple. [9] Tablas de pruebas Las siguientes tablas muestran los resultados cuantitativos de cada una de las pruebas realizadas, incluyéndose las pruebas de tensión para observar la resistencia tensil de las diferentes probetas, la prueba de charpy para observar la resistencia al impacto de cada probeta y la prueba de dureza para observar la dureza obtenida en cada una de las probetas. Tabla. 2, Tabla de especificaciones y resultados de la prueba de tensión. Esfuerzo último(σu) kg/mm2 Deformación % (ε) Acero Temp. (ºC) T.T ºC Normalizado ºC Templado ºC Templado

7 A partir de los resultados obtenidos en la prueba de tensión realizada es posible observar y deducir que el la elongación (el cual es un indicador de plasticidad) disminuye conforme aumenta la temperatura de calentamiento, de ésta afirmación se puede concluir que a mayor contenido de martensita en el se obtienen aceros menos dúctiles. Tabla. 3, Tabla de especificaciones y resultados de la prueba de Charpy. Marca Acero Energía requerida (Joules) Temp. (ºC) T.T. I ºC Normalizado II ºC Templado III ºC Templado En relación a la prueba de Charpy o prueba de impacto se puede llegar a la conclusión de que la probeta más resistente al impacto es la de marca I, la cual tiene un normalizado a temperatura de 920ºC, la siguiente más resistente es la probeta con marca II, la cual fue calentada hasta 760ºC y luego templada en agua, y finalmente está la de marca III, la cual fue calentada hasta 850ºC y luego templada en agua. De los resultados anteriores puede llegar a la conclusión de que en los aceros bifásicos, entre mayor sea el contenido de martensita en el acero bifásico, menor es la cantidad de energía (Joules) necesaria para romper la probeta. Tabla. 4, Tabla de especificaciones y resultados de la prueba de tensión. Marca Acero Dureza 1 Dureza 2 Dureza 3 Dureza promedio Acero Temp. (ºC) T.T. I ºC Normalizado II , ºC Templado III , ºC Templado En las pruebas de dureza se obtuvo que el acero normalizado desde 920ºC registró una dureza de 10 HRC, la probeta templada desde 760ºC obtuvo una dureza promedio de 53.7 HRC y la templada desde 850ºC tuvo una dureza promedio de 57.7 HRC, éste es evidentemente a que al calentar a mayor temperatura se entra en la sección donde cada vez hay más martensita (viendo el diagrama de la Fig. 5), lo cual causa que al tener más martensita el acero templado desde 850ºC sea el más duro. Fotografías de pruebas Se tomaron fotografías de las probetas luego de realizarse las pruebas, también se tomaron fotografías de las micrografías de cada una de las pruebas, tomando las probetas de la prueba de Charpy como base a la observación en el microscopio.

8 a b Fig. 7, Probetas para prueba de Charpy. (a) Probeta de acero 1018 La figura 7, muestra dos imágenes de probetas de Charpy, en donde el inciso a) muestra la probeta de un acero templado desde una temperatura de 760 ºC, y el inciso b) muestra la probeta de un acero templado desde una temperatura de 920 ºC, y el inciso. Nótese cómo en la probeta del inciso a) presenta una fractura dúctil y el inciso b) presenta una fractura notablemente frágil, esto debido a la mayor proporción de martensita en el acero.

9 a b Fig. 8, Probetas para prueba de Tensión. (a) Probeta de acero 1018 De igual manera se tomaron fotografías de probetas para la prueba de tensión. En éste caso se presentan dos imágenes, en la imagen del inciso a) se presenta una probeta con terminación tipo copa-cono, la cual se reconoce como dúctil, y en el inciso b) se muestra una probeta con terminación plana, que se genera principalmente cuando el material es frágil, lo cual demuestra que efectivamente se obtienen materiales dúctiles cuando se tiene una mayor proporción de ferrita y materiales frágiles al tener una alta proporción de martensita. Fig. 9, Acero bifásico templado en agua desde 760ºC. Aumento 100x. Fig. 10, Acero bifásico templado en agua desde 760ºC. Aumento 1000x. Las figuras 9 y 10, muestran la micrografía de un acero bifásico 1018 templado en agua desde una temperatura de 760 C, se puede observar que en éste acero se tiene una estructura ferríticomartensítica, la cual se puede distinguir en granos claros de ferrita y granos obscuros de martensita. En éste caso la martensita apenas comienza a formarse, por lo cual no es posible ver tan claramente las agujas características. Las figuras 9 y 10, muestran la micrografía de un acero bifásico 1018 templado en agua desde una temperatura de 760 C, se puede observar que en éste acero se tiene una estructura ferrítico-martensítica, la cual se puede distinguir en granos claros de ferrita y granos obscuros de martensita. En éste caso la martensita apenas comienza a formarse, por lo cual no es posible ver tan claramente las agujas características.

10 Fig. 11, Acero bifásico templado en agua desde 850ºC. Aumento 100x. Fig. 12, Acero bifásico templado en agua desde 850ºC. Aumento 1000x. Las figuras 11 y 12, muestran la micrografía de un acero 1018 templado en agua desde una temperatura de 850 C, en interesante observar que a ésta temperatura es posible ver las islas de martensita, las cuales se ver de un color oscuro, rodeadas por la fase ferritica. Como se mencionó anteriormente, las propiedades mecánicas de éste tipo de aceros pueden modificarse al modificar la temperatura de calentamiento, es decir, cuando se requiere mas ductilidad se templa desde una temperatura más cercana a la fase ferrítica (A1), pero cuando se requiere mas dureza se templa desde una temperatura cercana a la fase austenítica (A3). CONCLUSIONES La tecnología de fabricación de los aceros de doble fase es relativamente fácil y económica. No necesita grandes inversiones, sin embargo las ventajas que ofrece son de gran calidad en comparación a los aceros convencionales utilizados comúnmente en ingeniería. El nivel de conocimiento para su fabricación es básico, es necesario cuidar el régimen de temperaturas de austentización y las velocidades de enfriamiento para llegar a los resultados requeridos. Las propiedades mecánicas y tecnológicas son mejores en a las de los aceros de composición química comparable. Debido a que la martensita es más resistente al desgaste y a la corrosión que la perlita también éstos son indicadores de las ventajas ofrecidas por éstos tipos de aceros. BIBLIOGRAFÍA 1. ASM Handbook, Metals Handbook Vol 1., Properties and Selection: Irons, Steels, and High Performance Alloys. 10 th Edition, 1990, p Tamura, Y.Tomata, A. Okao, Y. Yamaoha, H. Ozawa, and S. Kaotoni, On the Strenght and Ductility of Two-Phase Iron Alloys, Trans Iron Steel Ins. Jpn., Vol 13, 1973, p University of Cambridge, Micrographs contributed by Dr Amar K De, ordered by micrograph number. Obtenida el 21 de noviembre del 2006 de: 4. Formability Characterization of a new generation of high-strength steels, American Iron and Steel Institute, Obtenida el 14 de Noviembre del 2006 de:

11 0applications%22 5. Steel World Statistics, World crude steel production, Obtenida el 23 de Noviembre del 2006 de: 6. Steel World Statistics, Comparative Automobile Statistics for October 2006, Obtenida el 23 de Noviembre del 2006 de: 7. A.J. Trowsdale & S.B. Pritchard Corus Construction & Industrial, UK,. Dual Phase Steel High strength fasteners without heat treatment., Obtenida el 24 de Noviembre del 2006 de: _CBM_Dupla_Paper.pdf#search=%22dual%20phase%20steel%22 8. Miguel Angel Yescas-Gonzalez and H. K. D. H. Bhadeshia, Cast Irons, University of Cambridge, Obtenida el 15 de Noviembre del 2006 de: 9. Wojtkun F., Solncew J., Materialy Specjalnego Preznacaenia (Materiales de Usos Especiales) Politechnika Radomska Polonia. 10. Kyung-Tae PARK, Young Kook LEE and Dong Hyuk SHIN: ISIJ Int., 45 (2005), 750., Obtenido el 12 de Noviembre del 2006 de: