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PROCESOS DE CONFORMADO: ESTUDIO Y CARACTERIZACION DEL COMPORTAMIENTO EN CALIENTE DE MATERIALES METALICOS
A. Fluencia en caliente
Uno de los aspectos de mayor fortaleza del área de procesos de conformado del CTM es precisamente la descripción de la caracterización del comportamiento en caliente de los materiales metálicos. Es bien sabido que durante la deformación en caliente, el material está sometido a fenómenos antagonistas como el endurecimiento por deformación y el ablandamiento por restauración y/o recristalización dinámica. La correcta descripción y cuantificación de estos dos fenómenos es todavía objeto de discusión en la comunidad científica internacional, a pesar de los notables avances desarrollados en las últimas décadas. Desde el CTM se ha puesto especial énfasis en la predicción de las curvas de fluencia en caliente en función de la microestructura inicial y temperaturas y velocidades de deformación, empleando para ello ecuaciones de fundamento físico. Esta aproximacion se complementa con la capacidad de predecir incluso la microestructura resultante de la deformación plástica en caliente. La aproximación empleada se refleja en la figura siguiente:
En primer lugar mediante una batería de ensayos de compresión a diversas temperaturas, velocidades de deformación y microestructuras iniciales, se determinan las curvas experimentales. De las mismas, y por métodos de ajuste por mínimos cuadradaos, se obtienen las ecuaciones constitutivas que explican el endurecimiento por deformación y ablandamiento por restauracion dinámica (ecs. de Estrin, Mecking y Bergstrom), las tensiones máximas y de estado estable (ec. de Jonas modificadas por Prado y Cabrera), la cinetica de recristalización dinamica (ec. de Avrami), y el tamaño de grano recristalizado (ec. de Derby). Todo ello da lugar a un modelo predictivo que reproduce con notable precisión el comportamiento experimental. Este tipo de aproximación se ha empleado con éxito en aceros al carbono y microaleados, aceros inoxidables monofásicos y duplex, aceros eléctricos, aceros avanzados de alto límite elástico (DP y TRIP), cobres, aluminios, superaleaciones, titanios y aleaciones de bajo punto de fusión.
A.1. Aceros al carbono y microaleados
Particular énfasis se ha puesto en el estudio de las ecuaciones constitutivas de estos aceros, sobre todo con la idea de poder determinar el efecto de la composición química sobre las mismas, y el efecto de los elementos microaleantes, bien como soluto, bien como precipitado. Los estudios tambien han servido para poner a punto las ecuaciones constitutivas, y la metodología de trabajo que finalmente se emplea en todo tipo de materiales. Los resultados asimismo han permitido disponer de una amplia perspectiva de la metalurgia física de los aceros microaleados, en especial de los de medio contenido en carbono. Particularmente interesantes han sido los resultados obtenidos del efecto del carbono a alta temperatura. Ultimamente, los estudios se están centrando en estudiar el efecto del boro al objeto de ver como este elemento, en cantidades de microaleación puede interferir con la deformación plástica en caliente. Estos aceros presentan particular interés en los procesos de estampación en caliente. En este trabajo han colaborado ademas de la UPC, la Universidad McGill (Canadá), el CENIM (Madrid), la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo (México) y empresas como SEAT, Industrias Puigjaner, Global Steel Wire, etc.
A.2. Aceros inoxidables
Los aceros inoxidables monofásicos constituyen un material idóneo para el estudio de los fenómenos de deformación en caliente porque pueden retener con facilidad la microestructura deformada a temperatura ambiente. Es por ello que se han empleado para un mejor entendimiento de los procesos de recristalización dinámica, en especial acoplandolo con las modernas tecnicas de observación microestructural, como es el EBSD. Estos análisis han permitido dilucidar el pael importante jugado por las maclas como elementos nucleantes de la recristalización dinámica, así como la influencia del tamaño de grano en la transición entre recristalización dinámica cíclica y de pico simple. También ha podido determinarse el efecto parcial de algunos elementos de aleación. Otro aspecto de interés analizado es la deformación en caliente de los aceros inoxidables dúplex, prestando atención al acomodo de la deformación entre las dos fases (austenita y ferrita) coexistentes en el acero. Los estudios en este campo se llevan a cabo en colaboración con la UPC, la Ecole des Mines de Saint-Etienne (Francia) y la Universidade Federal de Sao Carlos (Brasil).
A.3. Aceros eléctricos (Fe-Si)
Los aceros eléctricos de alto contenido en Si se usan, principalmente, como material en los núcleos de transformadores y motores eléctricos, por sus altas prestaciones, ya que este elemento aumenta la resistividad, reduciendo la magnetostricion y las pérdidas totales. La producción industrial, mediante la vía convencional de colada y laminación, de estos aceros se ve restringida a composiciones inferiores al 3.5% de Si en peso, debido a fenómenos de fragilización que impiden su laminación en frío. No obstante, las composiciones optimas, a nivel de prestaciones eléctricas, se encuentra en el 6.5%Si, produciéndose por métodos alternativos como el CVD (Chemical Vapour Deposition). La caracterización microestructural y textural para este tipo de aceros es un aspecto muy importante ya que define su aplicación final, clasificándolos en Orientados y no Orientados. Los primeros son usados principalmente como chapa para núcleos de trasformadores, donde se busca un material anisótropo en la dirección de conducción del flujo magnético con una textura cristalográfica ideal de los granos en la componente GOSS {110}<100>, mientras que los segundos se utilizan en maquinas rotativas como motores eléctricos donde se persigue que el material sea isótropo y con una textura ideal en la fibra Cubo <001>//DL. Buena parte del trabajo del CTM en este tipo de acero se orienta a su caracterización microestructural y su conformabilidad en caliente. El trabzjo se lleva a cabo en colaboración con la UPC, la Universidad Autónoma de Nuevo León (México), la Universidad de Gante (Bélgica) y la Universidad de Freiberg (Alemania).
Microestructura y textura obtenida por EBSD de un acero eléctrico de alto silicio deformado en esta ocasión en frío
A.4. Aceros avanzados de alta resistencia (DP, TRIP, TWIP)
Los requerimientos impuestos por la industria automovilística, en cuanto a resistencia, absorción de energía a impacto y conformabilidad, están llevando al desarrollo de nuevas calidades de acero. Estos aceros presentan como característica excelentes combinaciones de resistencia y ductilidad, resultado de la activación de mecanismos de deformación como la transformación martensítica, el maclado o las bandas de deslizamiento. Un diseño de las aleaciones en base a cálculos termodinámicos junto con un adecuado diseño de los procesos de fabricación es la clave para alcanzar propiedades mecánicas que permitirán, en un futuro próximo, reducir el peso de los vehículos incrementando la seguridad de sus ocupantes. Estos aceros son fabricados en caliente, lo cual implica también efectuar un estudio de su conformabilidad, y prediccion de su comportamiento en caliente. Desde el área de procesos de conformado del CTM se han efectuados estudios de aceros DP (Dual-Phase), aceros TRIP (Transformed induced plasticity) y aceros TWIP (Twinning induced plasticity). Estos trabajos se efectúan en colaboración con la UPC, el CEIT (San Sebastián), el ITMA (Asturias), AIMEN (Galicia), McGill University (Canadá) y la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo (México) y empresas como SEAT, Industrias Puigjaner, GESTAMP, etc.
A.5. Cobres
Otro material que se puede emplear como modelo para el análisis de los procesos de deformación plástica en caliente es el cobre puro (al menos de pureza comercial), muy empleado en aplicaciones de tuberías sanitarias, o cableado electrico. Este material se ha estudiado con el objeto de ver la influencia de elementos residuales en la fluencia en caliente, y tambien con la finalidad de desarrollar un modelo predictivo de la recristalización dinámica cíclica. El trabajo se ha realizado en colaboración con la UPC y la empresa TERTUB (actualmente LaFargaTub)
A.6. Superaleaciones base Níquel
Las superaleaciones base Ni han encontrado un amplio campo de aplicación en la industria aerodinámica debido a sus excelentes propiedades de resistencia a la fluencia y a la oxidación a elevadas temperaturas. Estas propiedades se consiguen controlando la precipitación de diferentes fases como la δ, γ’ o γ’’. Hay que tener en cuenta, que a pesar de que la precipitación de determinadas especies tiene un efecto beneficioso en las propiedades mecánicas, estos fenómenos pueden interferir con los procesos de fabricación. Si la precipitación tiene lugar durante dichos procesos, las fuerzas pueden aumentar considerablemente haciendo difícil el conformado de estos materiales. Por lo tanto, es necesario caracterizar el comportamiento en caliente de estas superaleaciones, así como su cinética de precipitación, para poder definir rutas de procesamiento adecuadas que permitan controlar la microestructura y propiedades del producto final. El trabajo se está realizando en colaboración con la UPC y centros tecnológicos como FATRONIK y empresas como FRISA AEROSPACE e INDUSTRIAS PUIGJANER.
A.7. Aleaciones soldantes (Sn-Pb y Sn-Ag)
Cada vez más, las placas de circuito impreso se ven sometidas a mayores exigencias además de restricciones mediambientales. Los fallos de los equipos electrónicos suelen deberse a perdida de conectividad por fallo de la aleación soldante, causados por variaciones en temperatura (por paso de corriente o por variaciones del entorno). En dichas condiciones, las aleaciones soldantes, están trabajando en caliente, sometidas a la vez a mecanismos de creep-fatiga. Para ahondar en el estudio de este comportamiento, el CTM ha estudiado el comportamiento en caliente de la típica aleación soldante 63Sn-37Pb y una de las alterantivas sustitutas, 96,5Sn-3,5Ag, dado que las de Pb se han de ir retirando. El estudio se enfocó en la determinación de la fluencia en caliente, detección de aparición del fenómeno de superplasticidad e influencia de la microestructura inicial. Se complementó el trabajo con analisis de fatiga mecánica a diferentes temperaturas y frecuencia de trabajo. El trabajo se realiza en colaboración con la UPC y Lear Corporation.
B. Ductilidad en caliente
Existen procesos industriales como la colada continua, que se llevan a cabo en condiciones de temperatura y velocidad de deformación que pueden favorecer la aparición de mecanismos de fragilización y consiguiente agrietamiento superficial del producto. Estos mecanismos de fragilización son dependientes de la aleación y de los fenómenos metalúrgicos que puedan tener lugar. Por ejemplo, en aceros microaleados la fragilización puede estar relacionada con la precipitación en los límites de grano, con la transformación de austenita a ferrita o, para bajas velocidades de deformación y altas temperaturas, con fenómenos difusivos como la fluencia. Para poder llevar a cabo un diseño adecuado de las operaciones de fabricación que minimicen el riesgo de aparición de grietas, es necesario conocer la naturaleza de estos mecanismos para cada aleación. Por lo general, el estudio conlleva la realización de ensayos de tracción a alta temperatura con la correspondiente evaluación fractográfica y metalográfica de las probetas ensayadas a fractura. De particular interés han sido los resultados desarrollados en el grupo respecto a aceros al carbono en colaboracion con la UPC, el CENIM y la Universidad McGill (Canadá), que también se han extendido a otros materiales, como las superaleaciones base níquel.
C. Predicción de microestructurs de solidificación en aceros
Esta tarea surge de manera natural como una continuación de la anterior. En efecto se demuestra que un factor importante que promueve la fragilización en caliente está fuertemente relacionado con la posibilidad de segregación química durante la solidificación, la cual está intimamente ligada a la microestructura dendritica de solidificación, y en particular a los espaciados dendríticos primarios y secundarios. El CTM en colaboración con la UPC, el IPN (México) y K&E Technologies (México) y empresas como Global Steel Wire, viene trabajando en aplicar una metodología macro-micro para predecir la microestructura de solidificación en función de la composición químcia del acero y de los parámetros operacionales de la colada continua (evacuación de calor, velocidad de colada, etc…).
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