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Información tecnológica

On-line version ISSN 0718-0764

Inf. tecnol. vol.16 no.4 La Serena  2005

http://dx.doi.org/10.4067/S0718-07642005000400008 

 

Información Tecnológica-Vol. 16 N°4-2005, págs.: 45-51

MATERIALES Y METALURGIA

Uso del Parámetro de Redondez para Evaluar la Cavitación Intergranular en un Acero de bajo Carbono Microaleado con Niobio Deformado Isotérmicamente

Use of the Roundness Parameter to Evaluate Intergranular Cavitation of Low Carbon Niobium Microalloyed Steel under Isothermal Deformation

E. Hurtado, P. Garnica y A. López
Instituto Tecnológico de Morelia, Av. Tecnológico Nº1500, Col. Lomas de Santiaguito,
58120 Morelia, Michoacán-México (e-mail: hurtado@itmorelia.edu.mx)


Resumen

Se realizaron ensayos de tracción a temperaturas de 640°C, 840°C, 900°C y 960°C para velocidades de desplazamiento de cabezal de 1.35 mm/min y 13.5 mm/min para determinar el comportamiento de la formación de cavidades en un acero de bajo carbono microaleado con niobio deformado isotérmicamente. Después de la fractura en pruebas de tensión en caliente, un corte longitudinal de la muestra permite evaluar la forma y tamaño de las cavidades por microscopía óptica y análisis de imágenes. En ambos casos se presentaron cavidades en forma de zig-zag en las muestras ensayadas a 900°C, temperatura que está dentro de un intervalo donde hay la más baja ductilidad de este acero bajo cargas de tensión. Se encontró que las cavidades formadas 1.35 mm/min, para esta misma temperatura, presentan tamaños mayores y menor valor del parámetro de redondez.


Abstract

Hot tensile tests were carried out on low-carbon niobium microalloyed steel at four temperatures: 640°C, 840°C, 900°C and 960°C, for  crosshead speeds of 1.35 mm/min and 13.5 mm/min in order to evaluate cavity formation behavior during isothermic deformation. After fracture in a hot tensile test,  transverse sample sectioning allowed the evaluation of shape and size of cavities formed during the test using optical microscopy and image analysis. In both cases zigzag shaped cavities were observed at 900°C, a temperature within the range of the lowest ductility for this steel under uniaxial tensile load conditions. It was found that cavities formed at 1.35 mm/min  at this temperature were greater in size, and had a lower relative value for the roundness parameter.

Keywords: intergranular cavitation, isothermal deformation, cavity nucleation, roundness parameter


INTRODUCCION

Se sabe que algunos aceros microaleados, especialmente los que contienen Nb, presentan dificultades para laminarse en caliente dentro de ciertos rangos de temperatura. Lo cual ocurre porla disminución de la ductilidad debido a una por precipitación intergranular como lo reportaron Mintz y Abushosha (1998). También puede deberse al debilitamiento de los límites de grano austenítico por la presencia de ferrita inducida por deformación (Mintz et al., 1989). En ambos casos, la precipitación de una segunda fase en los límites de grano austenítico genera una banda de baja resistencia mecánica, adyacente a los límites de grano, que falla durante la deformación. En el caso de los precipitados de Nb, estos se convierten en sitios de nucleación para cavidades que inician con tamaños del orden de fracciones de micra y crecen hasta alcanzar varias micras (Quispe et al., 2002). Los tamaños de grano típicos de los aceros microaleados van de 50 a 100 mm, mientras que el recorrido libre medio de los precipitados (dependiendo de su cantidad) suele ser de algunas micras, por lo que no es raro observar que haya coalescencia de cavidades en los límites de grano.

 Para determinar el rango intervalo de temperaturas en los cuales ocurre la pérdida de ductilidad generalmente se llevan a cabo ensayos de tracción en caliente, que también pueden proporcionar información respecto de la formación de cavidades (Raj, 1983 y Wilkinson y Vitec, 1982). Durante el proceso de deformación, A medida que aumenta la elongación en el ensayo de tracción de la probeta, más cavidades coalescen en la zona de la estricción, principalmente en el límites de grano, iniciando el proceso en los límites que tienen una orientación preferencial con respecto al eje del esfuerzo aplicado (Qiu et al., 1999), La cavitación o formación de cavidades en esos límites cose ntinúa extiende hasta abarcar todo el límite de grano y se detiene cuando topa con los granos adyacentes. Si la deformación continúa aumenta, es posible que la cavidad se prolongue hasta otro límite de grano, que también tenga una orientación preferencial. Entonces se genera una cavidad tipo W, que tiene la forma de zigzag característica de esta letra (ver figura 1a). Las cavidades tipo W se diferencian de las tipo r (figura 1b), porque estas son redondas y se producen más por crecimiento equiaxial que por coalescencia, mientras que las tipo A (figura 1c), se producen por deslizamiento de granos en uniones triples. Existe otro tipo de cavidades, las tipo I (figura 1d), que son alargadas, con su eje paralelo al esfuerzo aplicado. Estas aparecen a las temperaturas más altas donde, a las cuales el material es muy dúctil, y están asociadas con el mecanismo de deformación por flujo masivo (Sham y Needleman, 1983).

El análisis de la forma de las fases se puede aplicar únicamente a objetos que tienen una geometría bien definida, como granos, precipitados, cavidades, etc. Los parámetros que describen la forma generalmente son adimensionales, ya que no deben cambiar con la amplificación. Comúnmente son relaciones entre dos parámetros de tamaño medidos sobre un objeto (Chermant et al., 2001). En el análisis de imágenes es frecuente utilizar el parámetro de redondez para clasificar los objetos de una imagen por su forma. Existen varias formas de calcularlo reportadas en la literatura (DeHoff y Rhines, 1968). En este trabajo se obtiene resulta de la división (Pc)2/(Po)2x100, donde Pc es el perímetro del círculo con área equivalente a la de la cavidad y Po es el perímetro medido de la cavidad. Este método está incluido por el proveedor en los procedimientos de análisis del equipo usado. Las cavidades tipo r, por ser redondas, tienen un parámetro de redondez cercano al 100%, mientras que las tipo A son menos redondas, las tipo I lo son aún menos, y las tipo W son las menos redondas, por lo que la redondez disminuye en ese mismo orden. En este trabajo se estudia el efecto que tiene la temperatura y la velocidad de deformación en el parámetro de redondez y su relación con la formación de cavidades.

DESARROLLO EXPERIMENTAL

Se obtuvieron muestras de acero microaleado con Nb directamente de un planchón grueso (23 cm de espesor) de colada continua, con una composición química de 0.045 %C, 0.008 %Si, 0.43 %Mn, 0.043 %Al, 0.021%Nb y 0.0041 %N.con la composición química que se muestra en la tabla 1. A partir de estas muestras se fabricaron las probetas para tracción en caliente, con las dimensiones que se indican en la figura 2. Los ensayos de tracción se realizaron en una máquina servomecánica de ensayos universales totalmente automatizada y se estudió la ductilidad en caliente del material (Hurtado et al., 2004). El calentamiento se efectuó en un horno de radiación con control automático de temperatura y variaciones de +/- 1°C en la etapa de temperatura constante.

Fig. 1. Tipos de cavidades: a) tipo W, b) tipo r, c) tipo A y d) tipo I. s es el esfuerzo aplicado.


Fig. 2. Dimensiones de la probeta y esquema del dispositivo para el ensayo de tracción en caliente.

El horno se acopló a la máquina universal de acuerdo con el esquema deado en la figura 2. Previo a cada ensayo se realizó un precalentamiento a 1100° C durante 10 minutos con el fin de homogeneizar la microestructura inicial y disolver los precipitados de Nb, los cuales tienen tamaños nanométricosnanométricos..  Subsecuente Posteriormente, las probetas se enfriaron a 60 ºC/min hasta las temperaturas de la prueba: 650ºC, 840ºC, 900ºC y 960°C. Se aplicaron dos velocidades de desplazamiento del cabezal de la máquina: 1.35 mm/min y 13.5 mm/min. Los ensayos se llevaron hasta la fractura, seguida de un enfriamiento con gas inerte hasta temperatura ambiente. Después se cortaron longitudinalmente con disco de diamante, por mitad, en la zona conocida como estricción que es donde se concentra la deformación, Las piezas cortadas se pulieron con pasta de diamante de 3 y 1 micras y con alúmina de 0.05 micras. El área de análisis se dividió en cinco secciones, partiendo del frente de fractura, y alejándose de ella con incrementos de 2.5 mm, según se señala en el esquema de la figura 3. Con esta distribución se tienen mediciones cerca de la fractura, a 2.5 mm, 5.0 mm, 7.5 mm y 10.0 mm de la zona del frente de fractura. Cada sección a su vez fue dividida en cuatro campos, con una área de 5.03 mm2 cada uno, a fin de cubrir todo el ancho de la probeta en cada sección. Se observó al microscopio óptico cada campo, sin ataque, a los aumentos más bajos que permite: 50X. La redondez y longitud de las cavidades con tamaños mayores a 10 mm se midió con ayuda de un analizador de imágenes.

Fig. 3. Esquema de medición de las probetas en el analizador de imágenes.

RESULTADOS

Usando como referencia un método estándar establecido por el software IA32 ver. 1.08 para el analizador de imágenes de LECO, se determinó el tamaño promedio de los huecos y la redondez de los mismos. El tamaño promedio de las cavidades es sensible tanto a la temperatura como a la velocidad de deformación, para las diferentes secciones. Los valores para todas las secciones analizadas no sobrepasan las 100 mm de longitud, como se observa en la figura 4, lo cual puede estar relacionado con el tamaño de grano austenítico para estos aceros (50 a 100 mm). En esta misma figura se observa que los tamaños mayores se obtienen a 900°C, para todas las secciones y que a esta temperatura las cavidades de 1.35 mm/min son más grandes que las de mayor velocidad.

En la figura 5a se presenta una imagen de las cavidades que aparecen a 650°C; la mayoría de ellas son redondas, aunque algunas tienden a alargarse en la dirección del esfuerzo aplicado. En esta imagen aparecen algunas cavidades angulares, se aprecia además que coexisten dos poblaciones con tamaños promedio claramente diferentes. La figura 5b se presenta una imagen  de las cavidades formadas a 840°C, es evidente la menor cantidad de cavidades pequeñas y la mayor presencia de cavidades angulares, se aprecia también que las cavidades no tienen orientación preferencial. En cambio a 900°C se nota claramente la presencia de cavidades angulares, en forma de zigzag con sus vértices de 90° apuntando en la dirección del esfuerzo, en ambos sentidos, como se aprecia en la figura 5c. Finalmente, a 960°C, desaparece el carácter angular de las cavidades y vuelven a aparecer cavidades redondas mezcladas con cavidades alargadas en la dirección del esfuerzo, como se observa en la figura 5d.

El analizador de imágenes tiene la capacidad de medir cuantitativamente la redondez de las cavidades, de la cual hasta ahora sólo se ha hablado de manera cualitativa, además, dicha medición la realiza de manera automática en cada una de las cavidades que encuentra en el campo de observación y calcula el promedio de los resultados. En la figura 6 se presentan las gráficas de redondez vs. temperatura en las diferentes secciones de las probetas analizadas a 13.5 mm/min. La disminución drástica del parámetro de redondez a 900°C es evidente, el cual cae a valores de 45% a 55% para todas las secciones. En esta misma figura se presentan los resultados de las mediciones de redondez de las cavidades formadas a diferentes temperaturas en probetas que fueron deformadas a 1.35 mm/min., en este caso el parámetro cae a valores que van de 42% a 45% para la temperatura de 900°C.

ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS

De acuerdo con la teoría de la cavitación (Riedel, 1987), la formación de cavidades internas en un material sometido a tracción a alta temperatura obedece a la ecuación 1, la cual nos indica que al aumentar el esfuerzo disminuye el radio crítico que es necesario sobrepasar para que inicie el crecimiento espontáneo de las cavidades.

                                                                                                                                     (1)

donde p* es el radio crítico, ys es la energía superficial y s  es el esfuerzo normal.

Por otra parte, de acuerdo con el modelo propuesto por Nicolaou et al. (2000), el crecimiento de las cavidades responde a la ecuación 2, donde el tamaño de las cavidades es función de la deformación; en este modelo no está explicita la relación con del esfuerzo aplicado, pero se supone que el crecimiento es independiente de la velocidad de deformación.

                                                                                                                           (2)

p0 es el radio inicial de la cavidad, n es el parámetro de crecimiento individual de la cavidad y e es la deformación.

En ambas ecuaciones se supone que las cavidades son redondas. Otros autores sólo abordan la etapa de nucleación o la de crecimiento (Hayhurst et al., 1983). Nicolaou y Semiatin (2000) incluso han abordado el problema de la coalescencia y en su modelo suponen que las cavidades continúan siendo redondas, aún después de la coalescencia. Es posible que así sea para cavidades menores de 10 mm, las cuales no fueron consideradas en el presente estudio. Sin embargo, las cavidades mayores, que son las de principal interés, en algunos valores de temperatura, distan mucho de ser redondas, como lo indican los resultados mostrados en las figuras 5 y 6.

Fig. 4. Variación del tamaño de cavidades en función de la temperatura de ensayo y la velocidad de desplazamiento para cada una de las secciones.


Fig. 5. Cavidades en la probetas de a) 650, b) 840, c) 900 y d) 960°C, con una velocidad de deformación de 13.5 mm/min.


Fig. 6. Variación del parámetro de redondez de cavidades en función de la temperatura de ensayo y la velocidad de deformación para cada una de las secciones.

Las cavidades tipo W son consecuencia de la coalescencia de varias cavidades, localizadas en límites de grano preferenciales, con una orientación de 45° con respecto a la dirección orientación del esfuerzo aplicado. Esto indica que los esfuerzos de corte también están actuando en la coalescencia de las cavidades y en la separación de los granos. Al comparar las gráficas de la figura 6 se aprecia que el parámetro de redondez es menor para las probetas deformadas a 1.35 mm/min que para las de 13.5 mm/min, lo cual significa que las cavidades a baja velocidad tuvieron más oportunidad de crecer, y lo hicieron preferentemente a lo largo de los límites de grano con orientación favorable.

La cinética de precipitación estática para este material se determinó en un trabajo previo  (Hurtado y Morales, 2001), cuyos resultados se presentan en la figura 7. Se observa que la temperatura a la cual inicia la precipitación en el menor tiempo es de 930°C, aproximadamente. Ellos también reportan que a 900°C el material presenta un mínimo de ductilidad.

Fig. 7.Cinética de precipitación estática para el material ensayado.

De acuerdo con la figura 7, a 900°C diez minutos no son suficientes para completar la precipitación en los límites de grano. A 13.5 mm/min los ensayos de tracción no duraron más de tres minutos, mientras que a 1.35 mm/min duraron más de 15 minutos bajo esfuerzo. Con toda seguridad, en los ensayos hubo precipitación dinámica, y a baja velocidad hubo más precipitados que a alta, los cuales sirvieron de sitios de nucleación para más cavidades. Esto incrementa las posibilidades de que ocurra coalescencia y por ende menor cantidad de cavidades redondas.

A 650°C la ferrita es mecánicamente débil y se deforma con facilidad, el estado triaxial de esfuerzos que se genera en el cuello o estricción hace que las cavidades (inicialmente redondas) se compriman en la dirección horizontal y se alarguen en la vertical, esto mismo se observa a 960°C, cuando la austenita se hace muy débil y se pueden obtener reducciones de área cercanas al 100%. Las cavidades alargadas en la dirección del esfuerzo se presentan cuando el material es muy dúctil y de baja resistencia a la cedencia, el alargamiento se manifiesta como una disminución del parámetro de redondez, como se observa en la figura 6. En el caso de 650°C, la presencia de una cantidad apreciable de cavidades redondas enmascara el efecto de las cavidades alargadas. Pero en el caso de 960°C, es claro el menor grado de redondez que a 650°C y 840°C. Este efecto puede apreciarse también en el tamaño de las cavidades, reportada en la figura 4, en donde las longitudes mayores, después de 900°C, se presentan a 960°C..

CONCLUSIONES

Se realizó un estudio de los cambios de forma de cavidades generadas a temperaturas de 650°C, 840°C, 900°C y 960°C para dos velocidades de desplazamiento del cabezal, 1.35 mm/min y 13.5 mm/min, en una acero microaleado al Nb. La evaluación se llevó a cabo utilizando el parámetro de redondez, que es una medida de la forma de las mismas. Las conclusiones encontradas son las siguientes.

1. Para cavidades mayores a 10 mm no se cumple la suposición que sostiene que permanecen redondas después de la coalescencia, como sugieren modelos reportados en la literatura. Además, existe una temperatura en la cual la redondez es baja: 900°C, que está dentro del intervalo de temperaturas de menor ductilidad para este acero. Es decir, se presenta en temperaturas donde se requiere el menor tiempo para que inicie la precipitación.

2. Las cavidades de forma tipo W están relacionadas con el menor grado de redondez encontrado en el estudio. Este tipo de cavidades tiene como origen la presencia abundante de precipitados en los límites de grano, que corresponde a temperaturas cercanas a los 900°C..

3. La redondez en las cavidades de baja velocidad de deformación, 1.35 mm/min, es menor que la encontrada en la velocidad de 13.5 mm/min, debido al mayor tiempo de ensayo y por lo tanto más posibilidades de crecimiento siguiendo el contorno de los límites de grano, disminuyendo así la posibilidad de continuar redondas.

4. Se observó que las cavidades formadas a 960 °C, tienen una longitud mayor que las cavidades observadas en las otras temperaturas, excepto 900 °C. Lo cual coincide con la mayor ductilidad que presenta el material dentro del intervalo de temperaturas estudiado.

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