| |
PROCESSOS DE CONFORMACIÓ: ESTUDI I CARACTERITZACIÓ DEL COMPORTAMENT EN CALENT DE MATERIALS METÀL·LICS
A. Fluència en calent
Un dels aspectes de major fortalesa de l'àrea de processos de conformació del CTM és precisament la descripció de la caracterització del comportament en calent dels materials metàl·lics. És sabut que durant la deformació en calent, el material està sotmès a fenòmens antagònics com l'enduriment per deformació i l'estovament per restauració i/o recristal·lització dinàmica. La correcta descripció i quantificació d'aquests dos fenòmens és encara objecte de discussió dins la comunitat científica internacional, malgrat els notables avenços desenvolupats durant les últimes dècades. Des del CTM s'ha posat especial èmfasi en la predicció de les corbes de fluència en calent en funció de la microestructura inicial i temperatures i velocitats de deformació, emprant per a això equacions de fonament físic. Aquesta aproximació es complementa amb la capacitat de predir inclús la microestructura resultant de la deformació plàstica en calent. L'aproximació emprada es reflecteix en la figura següent:
En primer lloc mitjançant una bateria d'assajos de compressió a diverses temperatures, velocitats de deformació i microestructures inicials, es determinen les corbes experimentals. D'aquestes, i per mètodes d'ajust per mínims quadrats, s'obtenen les equacions constitutives que expliquen l'enduriment per deformació i l'estovament per restauració dinàmica (eqs. d'Estrin, Mecking i Bergstrom), les tensions màximes i d'estat estable (eq. de Jonas modificades per Prado i Cabrera), la cinètica de recristal·lització dinàmica (eq. d'Avrami), i la mida de gra recristal·litzat (eq. de Derby). Tot això dóna lloc a un model predictiu que reprodueix amb notable precisió el comportament experimental. Aquest tipus d'aproximació s'ha emprat amb èxit en acers al carboni i microaliats, acers inoxidables monofàsics i dúplex, acers elèctrics, acers avançats d'alt límit elàstic (DP i TRIP), coures, aluminis, superaliatges, titanis i aliatges de baix punt de fusió.
A.1. Acers al carboni i microaliats
Particular èmfasi s'ha posat en l'estudi de les equacions constitutives d'aquests acers, sobretot amb la idea de poder determinar l'efecte de la composició química sobre les mateixes, i l'efecte dels elements microaliants, bé com a solut, o bé com a precipitat. Els estudis també han servit per a posar a punt les equacions constitutives, i la metodologia de treball que finalment s'empra en tot tipus de materials. Els resultats, així mateix, han permès disposar d'una àmplia perspectiva de la metal·lúrgia física dels acers microaliats, en especial dels de mig contingut en carboni. Particularment interessants han sigut els resultats obtinguts de l'efecte del carboni a alta temperatura. Últimament els estudis s'estan centrant en estudiar l'efecte del bor amb l'objectiu de veure com aquest element, en quantitats de microaliatge pot interferir amb la deformació plàstica en calent. Aquests acers presenten particular interès en els processos d'estampació en calent. En aquest treball han col·laborat, a més de la UPC, la Universitat McGill (Canadà), el CENIM (Madrid), la Universitat Michoacana de San Nicolás de Hidalgo (Mèxic) i empreses com ESAT, Indústries Puigjaner, Global Steel Wire, etc.
A.2. Acers inoxidables
Els acers inoxidables monofàsics constitueixen un material idoni per a l'estudi dels fenòmens de deformació en calent perquè poden retenir amb facilitat la microestructura deformada a temperatura ambient. És per això que s'han emprat; per a una millor comprensió dels processos de recristal·lització dinàmica, en especial acoblant-ho amb les modernes tècniques d'observació microestructural, tals com l'EBSD. Aquests anàlisis han permès dilucidar l'important paper jugat per les macles com a elements nucleants de la recristal·lització dinàmica, així com la influència de la mida del gra en la transició entre recristal·lització dinàmica cíclica i de pic simple. També ha pogut determinar-se l'efecte parcial d'alguns elements d'aliatge. Un altre aspecte d'interès analitzat és la deformació en calent dels acers inoxidables dúplex, prestant atenció a l'acomodament de la deformació entre les dues fases (austenita i ferrita) coexistents en l'acer. Els estudis en aquest camp es duen a terme en col·laboració amb la UPC, l'Ecole des Mines de Saint-Etienne (França) i la Universidade Federal de Sao Carlos (Brasil).
A.3. Acers elèctrics (Fe-Si)
Els acers elèctrics d'alt contingut en Si s'usen, principalment, com material en els nuclis de transformadors i motors elèctrics, per les seves altes prestacions, ja que aquest element augmenta la resistivitat, reduint la magnetostricció i les pèrdues totals. La producció industrial, mitjançant la via convencional de colada i laminació, d'aquests acers es veu restringida a composicions inferiors al 3.5% de Si en pes, degut a fenòmens de fragilització que impedeixen la seva laminació en fred. No obstant, les composicions òptimes, a nivell de prestacions elèctriques, es troben en el 6.5% Si, produint-se per mètodes alternatius com el CVD (Chemical Vapour Deposition). La caracterització microestructural i textural per aquest tipus d'acers és un aspecte molt important ja que defineix la seva aplicació final, classificant-los en Orientats i no Orientats. Els primers són usats principalment com a xapa per nuclis de transformadors, on es busca un material anisòtrop en la direcció de conducció del flux magnètic amb una textura cristal·logràfica ideal de els grans en la component GOSS {110}<100>, mentre que els segons s'utilitzen en màquines rotatives com motors elèctrics on es persegueix que el material sigui isòtrop i amb una textura ideal en la fibra Cubo <001>//DL. Bona part del treball del CTM en aquest tipus d'acer s'orienta a la seva caracterització microestructural i a la seva conformabilitat en calent. El treballo es porta a terme en col·laboració amb la UPC, la Universidad Autónoma de Nuevo León (Mèxic), la Universidad de Gante (Bèlgica) i la Universidad de Freiberg (Alemanya).
Microestructura i textura obtinguda per EBSD d'un acer elèctric d'alt silici deformat en aquesta ocasió en fred
A.4. Acers avançats d'alta resistència (DP, TRIP, TWIP)
Els requeriments imposats per la industria automobilística, en quant a resistència, absorció d'energia a impacte i conformabilitat, estan portant al desenvolupament de noves qualitats d'acer. Aquests acers presenten com a característica excel·lents combinacions de resistència i ductilitat, resultat de l'activació de mecanismes de deformació com la transformació martensítica, el maclat o les bandes de lliscament. Un disseny dels aliatges en base a càlculs termodinàmics junt amb un adequat disseny dels processos de fabricació és la clau per assolir propietats mecàniques que permetran, en un futur proper, reduir el peso dels vehicles incrementant la seguretat dels seus ocupants. Aquests acers són fabricats en calent, el que implica també efectuar un estudi de la seva conformabilitat, i predicció del seu comportament en calent. Des de l'àrea de processos de conformació del CTM s'han efectuat estudis d'acers DP (Dual-Phaes), acers TRIP (Transformed induced plesticity) i acers TWIP (Twinning induced plesticity). _Aquests treballs es fan en col·laboració amb la UPC, el CEIT (San Sebastián), el ITMA (Astúries), AIMEN (Galicia), McGill University (Canadà) i la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo (Mèxic) i empreses com ESAT, Industrias Puigjaner, GESTAMP, etc.
A.5. Coures
Un altre material que es pot emprar com a model per l'anàlisi dels processos de deformació plàstica en calent es el coure pur (al menys de puresa comercial), molt usat en aplicacions de canonades sanitàries, o cablejat elèctric. Aquest material s'ha estudiat amb l'objecte de veure la influencia d'elements residuals en la fluència en calent, i també amb la finalitat de desenvolupar un model predictiu de la recristalització dinàmica cíclica. El treball s'ha realitzat en col·laboració amb la UPC i l'empresa TERTUB (actualment La FargaTub)
A.6. Superaliatges base Níquel
Les superaliatges base Ni han trobat un ampli camp d'aplicació en la industria aerodinàmica degut a les seves excel·lents propietats de resistència a la fluència i a l'oxidació a elevades temperatures. Aquestes propietats s'aconsegueixen controlant la precipitació de diferents fases com la δ, γ’ o γ’’. S'ha de tenir en compte, que a pesar de que la precipitació de determinades especies te un efecte beneficiós en les propietats mecàniques, aquests fenòmens poden interferir amb els processos de fabricació. Si la precipitació te lloc durant dits processos, les forces poden augmentar considerablement fent difícil el conformació d'aquests materials. Per lo tant, és necessari caracteritzar el comportament en calent d'aquests superaliatges, així com la seva cinètica de precipitació, per poder definir rutes de processament adequades que permetin controlar la microestructura i propietats del producte final. El treball s'està realitzant en col·laboració amb la UPC i centres tecnològics com FATRONIK i empreses com FRISA AEROSPACE i INDUSTRIAS PUIGJANER.
A.7. Aliatges soldants (Sn-Pb i Sn-Ag)
Cada vegada més, les plaques de circuit imprès es veuen sotmeses a majors exigències a més de restriccions mediambientals. Els errors dels equips electrònics solen deures a pèrdua de connectivitat per fallada de l'aliatge soldant, causats per variacions en temperatura (per pas de corrent o per variacions de l'entorn). En aquestes condicions, els aliatges soldants, estan treballant en calent, sotmesos a la vegada a mecanismes de creep-fatiga. Per aprofundir en l'estudi d'aquest comportament, el CTM ha estudiat el comportament en calent del típic aliatge soldant 63Sn-37Pb i una de les alternatives substitutes, 96,5Sn-3,5Ag, donat que les de Pb s'han d'anar retirant. L'estudi s'enfocà en la determinació de la fluència en calent, detecció d'aparició del fenomen de superplasticitat i influencia de la microestructura inicial. Es complementà el treball amb l'anàlisi de fatiga mecànica a diferents temperatures i freqüència de treball. El treball es realitzà en col·laboració amb la UPC i Lear Corperation.
B. Ductilitat en calent
Existeixen processos industrials com la colada continua, que es porten a terme en condicions de temperatura i velocitat de deformació que poden afavorir l'aparició de mecanismes de fragilització i conseqüent esquerdament superficial del producte. aquests mecanismes de fragilització són dependents de l'aleació i dels fenòmens metal·lúrgics que puguin tenir lloc. Per exemple, en acers microaliats la fragilització pot estar relacionada amb la precipitació en els límits de gra, amb la transformació d'austenita a ferrita o, per baixes velocitats de deformació i altes temperatures, amb fenòmens difusius com la fluència. Per poder llevar a cabo un disseny adequat de les operacions de fabricació que minimitzin el risc d'aparició d'esquerdes, és necessari conèixer la naturalesa d'aquests mecanismes per cada aliatge. Per lo general, l'estudi comporta la realització d'assaigs de tracció a alta temperatura amb la corresponent avaluació fractogràfica i metal·logràfica de les provetes assajades a fractura. De particular interès han estat els resultats desenvolupats en el grup respecte a acers al carboni en col·laboració amb la UPC, el CENIM i la Universidad McGill (Canadá), que també s'han estes a altres materials, com els superaliatges base níquel.
C. Predicció de microestructures de solidificació en acers
Aquesta tasca sorgeix de manera natural com una continuació de l'anterior. En efecte es demostra que un factor important que promou la fragilització en calent està fortament relacionat amb la possibilitat de segregació química durant la solidificació, la qual està íntimament lligada a la microestructura dendrítica de solidificació, i en particular als espaiats dendrítics primaris i secundaris. El CTM en col·laboració amb la UPC, el IPN (Mèxic) i K&E Technologies (Mèxic) i empreses com Global Steel Wire, ve treballant en aplicar una metodologia macro-micro per predir la microestructura de solidificació en funció de la composició química de l'acer i dels paràmetres operacionals de la colada continua (evacuació de calor, velocitat de colada, etc…).
<< Tornar
|
