Resistencia .a .la .traccion = 8.27MP%2 .

donde d es el diametro del granD en mm.

1400

~1200 , ~ o 81000 ~ ~

~ . ~ 800

i:~

~ ~ 600 ~ 00 ~

400

> Aleacion Mn Mo Nb No

A .. 17 1.47 .25 '.06 ' . D • 18 . 0 .19

° e20 '

0.72 .26 .05 0.72 .28 . ­

200

Ksi

150

100

740 760 780 800 820 840 TE~PERATURA DE TEMPLE °C

. .

FIGURA 11. Esfuerzo de cedencia y resistencia a la traccion para 1% de deformacion como una funcion 'de la temperatura de temple y el tamaiio de grano de la Ferrita en aleaciones Fe-Mn-C.

29 . ,

4.2 DUCTILIDAD

Como generalidad se encontr6 que "la ductilidad de los aceros ferritico­

ffiartensiticos es superior a la de los aceros ferritico-perliticos estandar

(HASLA)". "

o Atero. de doble fase Fe:.Mn-C A Aceros HASLA

FIGURA 12. EIongacion uniforme como una funcion de Ia ' resistencia' a la traccion para los aceros HASLA y ace.ros de dobIe fase Fe - Mn - C . .

En la Figura 12 se ilustra la elongaci6n unifonne como una funci6n de la

resistencia a la tracci6n8 ; en ella puede apreciarse que en la medida que se

aumenta la resistencia a la tracci6n disminuye la elongaci6n unifonne; por '10

tanto en la medida que aumenta la fracci6n volumetrica de Martensita, Figura 1,

. disminuye la ductilidad del material; ademas, a un nivel de resistencia dado los

aceros bifasicos tienen tina ductilidad superior que la de los acerosHASLA y, .

finalmente, a un porcentaje fijo en la elongacion unifonne, los aceros bifasicos

ofrecen una mayor resistencia a la traccion. Este incremerito en la ductilidad

esta asociado con la presencia de la matriz ferritica altamente ductil y con una

30

cantidad muy baja de intersticiales. Si se analiza el comportamiento de la

estructura durante la deformaci6n puede verse el efecto de la Ferrita sobre la

ductilidad del material:

Como primera aproximaci6n, se habia dicho anteriormente que la segunda fase

(Martens ita, Perlit,a, Bainita 0 combinaci6n de estos productos) esta dispuesta

en forma qe islas bien distribuidas dentro de la Ferrita; esas islas ' hacen las

veces de refuerzo dentro del compuesto;, para que esta accion de refuerzo se

cumpla, es necesario que haya un buen ajuste entre las fases de tal 'manera que

exista contintiidad en la transmisi6n de los esfuerzos entre ellas; es decir que no

ocurra'la separaci6n de las fases sin que se· registre algUn grado de deformaci6n

de la fase mas blanda. A este respecto se ha encontrado que tanto la intercara

FerritaiAustenita como la MartensitaiAustenita guardan la relaci6n de

orientaci6n de KUrdjuIhov-Sachs 19,20; ahora, se conoce que el ajtiste obtenido

. para esta relaci6n es restringido solo a ,unos pocos atonios 19 10 que la convierte

en una intercara incoherente con el peor ajuste; pero al mismo tiempo, se ha

. encontrado la existencia de una intercara ,semicoherente compleja con 'esta

relaci6n de orientaci6n, para la quese mejora el grado de ajustecon la

interposici6n de dislocaciones peri6dicas a 10 largo ,de la intercaral9. De esta

manera se esmp haciendo ajustes a nivel de distancias at6micas 10 que podria . .

, garantizar una continuidad entre las fases. En conclusi6n, es muy probable que

" " la relaci6n de' orientaci6n existente entre las intercaras FerritalMartensita,

FerritalPerlita, etc. ofrezcan un buen ajuste por que, en las condiciones reales,

en una simple prueba de tension se registra la deformaci6n de "tod~' la probeta"

como unidad, verificandose la deformaci6n como se describ'e a continuaci6n:

31

.' '

Si la Ferrita en su condici6n de matriz esta en una proporci6n bien amplia (con

un 40% como minimo), T~bl~ 2, sera la primera en experimentar la

~eformaci6n plastica principalmente ' en el interior de los grailos ' y. con

frecuencia lejos de la intercara MartensitaiFerrita22, por 'que es la fase continua

y ,por que su resistericia al flujo es. mucho mas baja que la de la fase

martensitica que es aun elastica. En la medida que aumenta la deformaci6n de

la Ferrita aumenta la densidad de dislocaciones en su interior hasta que se llega

el punto en que esa deformaci6n plastica es frenada por la Martensita vecina,

ocasionando una concentraci6n de tensi6nes en la Ferrita que solo pueden . ser

aliviadas por la transferencia de la . deformaci6n ' a traves de la interc~ra

FerritaiMartensita, de manera que se da inicio a la deformaci6n plastica de la

Martensita aislada; cabe recordar que el material se neva a temperaturas

. cercanas a la critica inferior Ael para las cuales los contenidos de carbono de la

austenita son cercanos al eutectoide, por 10 tanto l~ resistencia deesa .

MartenSita es mucho mas elevada que la de la Ferrita que Ie acompafia. De otro .

lado, para hacer daridad sobre la deformaci6n de la Martensita, es bien sabido

que las estructuras 100% martensiticas sufren muy poca , de formaci6n plastica,

pero es importante tener en cuenta que la Martensita que se desarrolla en un

colch6n de Ferrita'tiene menos restricciones en su formaci6n que la que crece

dentro de Un colch6n 100% austenitico (por que la Ferrita generalmente es

menos resistente que la Austenita) por 10 tanto posiblemente cuenta con una

menor cantidad de tensiones intemas dando ' como . resultado una mayor

facilidad para la deformaci6n plastica.

32

Continuando, con ia descripci6n, cuando el compuesto ha experimentado una

gran defonnaci6n plastic~ se inicia la formaci6n del cuello de la estricci6n. En

este momento la .fractura se inicia en la matriz ferritica por la nucleaci6n de

vacios y coalesceI?cia (a:! [mal de este capitulo se aborda el " tema del ",

comportamiento durante la fractura con mayor detalle). Asi, en este tipo de

aleaciones la deformaci6n esta distribuida. mas uniformemente, y hay una

mayor resistencia a la formaci6n del cuello. Como resultado se cuenta con una : " .

" mejor formabilidad que la de los aceros convencionales.

Cuando la cantidad de Ferrita se' encuentra poi debajo del 40% en el .

compuesto, la Martensita empieza a ser continua y por 10 tanto las

caracteristicas y propiedades mecanicas varian considerablemente.

. ,

La descripci6n anterior se apoya en la teoria de Mileikos y en los resultados del

comportamiento ante la deformaci6n de algunos aceros de doble fase8, 22~23.

S.T. Mileikos desarrollO una teo ria para describir las propiedades mecamcas de .

compuestos fibrosos formados por dos fases ductiles; las cuales son ensayadas

en tensi6n en la direcci6n paralela al eje de las fibras8; aunque las fases de los "

aceros . bifasicos " no estan dispuestas como fibras en el compuesto, su

comportamiento "se ajusta bastanh~ bien a las predicciones hechas por este

investigador debido a que algunos de los principios de su teoria" han sido

verificados en aceros de doble fase8. Los prmclplos mencionados son los

siguientes:

y

• La uni6!) entre la fibra y la matriz es.ideal, de tal modo que el esfuerzo en la

in~ercara es " suficiente para prevenir la entalla de la fibra, sin entallar el

33

<.

compuesto como un todo; esto es, la matriz que es mas estable, retiene a la

fibra que es menos estable.

• la relaci6n esfuerzQ verdadero - deformaci6n verdadera del compuesto y de

" , a== ksn ,cada fase es una ley expresada de la forma: 'donde ' (Y y & son , .

el esfuerzo verdadero y la deformaci6n vetdadera y n y k son constantes.

• la transmisi6n de esfuerzos del compuesto esta dado por la ley de mezc1as.

. ~ .30

o

~ = ~ 0 .20 O~

~~ ~~ ~ ~ .10

ksi 50 100 150 200

(T.. 2000 MPa ~ .. 0.07 «,0.31

Datos

400 600 80Q 1000 1200 1400 RESISTENCIA A LA TRACCION MPa

FIGURA 13~ Deformacion unif()rme verdadera como una funcion de la resistencia . a la traccion del material y de varias

. resistencias de la Ferrita.

En el estudiodes~rronado por R. G. Davies8 , se encontr6 que la resistencia de

la Ferrita dete~a en buen grado la ductilidad del acero de doble fase a un

nivel dado de resistencia del material (compuesto); en la Figura 13 se ilustra el

comportamjento de la 'deformaci6n uniforme verdaderadel acero en funci6n de

su resistencia a la tracci6n yla resistencia de la Fe!fita (cada curva representa

Un valor de resistencia de la Ferrita);' manteruendo constantes la ductilidad de la

34

ferrita ( & = 0.31), y las propiedades de la martens ita ( & = 0.01 y a = .2000

Mpa), se puede observar que para una resistencia a la tracci6n del material de

790 Mpa (lOO ksi) alincrementar1a resistencia de la Ferrita de 276 a 552 Mpa . - .

(40 a 80 ksi) ocurre un ~cremento significativo. enla deformaci6n uniforme . .

verdad"era n ·del material de 0.14 aO.25. De otro lado, se puede obtener un

incremento en la resistencia delacero al incrementar la resistencia de la Ferrita

sin alterar en ningtin grado la ductilidad del compuesto. En sintesis, al refmar el

-tamafio de grano de la Ferrita, se obtiene una mayor elongaci6n a un nivel dado

de resistencia del compuesto; P9r 10 tanto se desea upa distribuci6n tina de.

Martensita para disminuir el tamafio de grano efectivo de la Ferrita.

4.3 TENACIDAD

"El refmamiento de grano . efectivo de la Ferrita es el principal efecto del

tratamiento termico intercritico"; como resultado, se tiene un camino mucho

mas quebradizo ylargo para la propagaci6n de una grieta intergranular. Es por

ello que con este tratamiento se producen mejoras. substanciales en la tenacidad

al impado. . .

En la Figura 14 se compara el comportamiento de la tenacidad al impacto de

aceros LCC 1 tratados convencionalmente con los que son tratados en el rango .

intercritico; cone! tratamiento intercritico se obtiene una marcada mejora en la

. tenacidad . con una reducci6n del 17% en .la resistencia a la tracci6n. En la

Figura 15 se muestra el efecto de Ja temperatura de sostenimiento intercritica

para el mismo acero; como se puede observar, .a medida que se incrementa la

temperatura . de sostenimiento dentro del rango intercritic9 . disminuye la

tenacidad (y, al mismo tiempo incrementa la resis,tencia)l; esto significa que a

35

medida que se incrementa la fraccion volumetric a de Martensita disminuye la

tenacidad; esta conclusion coincide con la respectiva para la ductilidaden el .

literal anterior. Nuevamente se verifica la importancia de la presencia de l~

Ferrita en la microestructura, en cantidades significat~vas y con un tamafiode

grano fino.

TEMPERATURA °c -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0

.. 100 ACEROLCC BARRAS DE 1" TEMPLE

90

80

70 0 0/060

50 0

40 ~ . •

20 INTERCRinco 0 ­ - ­ 7 0 -­ - 8 CONVENSIONALII­ -- 1

10 ~~~~-L~~~~~~~~L-~ -100 -80 -60 -40 -20 0 ' 20 40

TEMPERATURA OF

FIGURA 14. Energia de impacto Charpy con entalla de barras de I" de un acero LCC con un tiernpo de sostenimiento de . 2 horas y . templadas en agua1

• .

36

TEMPERATURA °c -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0

120r--r--~~~-r--~~~~--~~

ACERO LCC . 6­

BARRAS DE 1" -~~--~

8 ~ ~ ~ j:I"

< . . 8 o

El . ~ 0/~60 /0 .. ,; 50 . ~0 TEMPERATURAS lNTERCRiTICAS. ~ 40 ~-- - 9 BAJA ~ B 0- - 7 MEDIA ­

30 o 0 --- 8 ALTA

20~~~~~~~~~~~~~~~

-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 TEMPERATURA of

FIGURA 15. Efecto de la temperatura de sostenimiento intercritica sobre I~ energia de iDlpacto Charpy con entalla sobre barras de I" de acero LCe templadas en agua, con tiempo . de sostenimiento de 2 horas.

"'Analisis mediante un ejemplo".

Suponiendo que se calienta un aGero de bajo Carbono a una temperatura por

.encima, pero muy cercana de ~h se espera que se forme entre un 15 Yun 20%

de Austenita (proporci6n normal en los aceros de doble fase), la siguiente

condici6n consiste en que se debe obtener un refmamiento de grano;es aqui -.

donde entra en juegoJa selecci6n de una estructura de partida que garant~ce un

,buen nfunero de lugares para .1a · nucleaci6n de la Austenita durante . el , .

sostenimiento a la temperatura intercritica (Capitulo 3), con un enfriamiento

37

que g~nere un refinamiento ailn mayor; adicionalmente 1a distnbucion de esos

nuc1eos debe ser uniforme de tal manera que despues del enfriamiento se

obtenga el 80% de ' Ferrita muy frna dispuesta uniformemente en todo el

volumen de material. Bajo estas condiciones, si ' se somete la probeta a una

. deformacion plastica su comportamientb sera tal como se describio en . el

numeral · anterior. Ahora, al calentar la misma probeta a teinperaturas

superiores, se obtiene mayor cantidad de Austenita uniformemente distribuida y

aunque no se hayan alcanzado las cantidades que la convierten en fase continua ,

ocurre la disminucion de la tenacidad tpuy probablemente por que . aJ

incrementarse la movilidad de los Hmites por efecto de la temperatura, ocurre la

coalescencia de los granos de austenita, 10 que genera una perdida del efecto

refinador, con granos mas grandes distribuidos irregularmente; de esa forma

una grieta tiene caminos menos intrin~ados y mas Cbrtos para·su propagacion ..

Kang, . K won23, N.J Kim22 y otros, se · dedicaron a · analizar ei comportamiento .

durante la fractura de los aceros ferritico - martensiticos, p,ara ello prepararon

probetas de traccion, utilizaron las tecnicas de microscopia electroriica de

transmision y microscopia electronica de . barrido para el examen . de las

superficies fracturadas: Ellos eI?-contraron que:

. 38

A BAJAS TEMPERATURAS A AL TAS TEMPERATURAS

• Bajas fracciones volumetricas de • Altas fracciones volumetricas de 'Martensita y proporcionalmente Martens ita y proporcionalmente altas fracciones de Ferrita. bajas ·fracciones de Ferrita.

• Predomina el modo de fractura en • Predomina el modo desgarre de baja microvacios . proftmdos (Dimples); energia (Clivaje); esto significaque esto significa que ocurre gran ocurre muy poca . defonnacion en la defonnacion plastica de la Ferrita. Ferrita.

• La martens ita aparece en fonna de • La Martensita aparece en fonna de particulas (con muy poca 0 ninguna placas' gruesas en los limites de Martensita gruesa ·al limite, de granD de la Austenita madre. grano)~ .

• Fractura trans granular (a traves de • Fractura intergranular (ao traves de los granos). los limites de granD de la Austenita

. madre)

• Propagacion de las '.

grietas en la • La grieta se. extiende a 10, largo de matriz ferritica. la Martensita pero a traves de la

matriz ferritica vecina a la intercara Ferrita - Martensita . .

• Buena tenacidad al impacto .con • Muy baja tenacidad al impacto. Y valores altos de elongacion.. valores'muy bajos de elongacion.

Tanto en la fractura transgranular como en Ja iritergranular la grieta se' prop ago ..

en la matriz ferritica; esto indica que siempre sesupero la resistencia de la

Ferrita antes que la de la Martensita (jesto es razonable!), pero adicionalmente

se muestra que la intercara Ferrita - Martensita tiene una resistencia supenor a .

la dela Ferrita (experimenta muy poca 0 ninguna defonnacion); es importante

tener en cuenta este aspecto para el analisis del comportamiento del material

durante la deformacion y rotura a cualquier temperatura dentro del rango

,intercritico.

39

En' el numeral 4.1 y la' Tabla 2 se describio el comportamiento de la

deformacion cuando el acero es sostenido a temperaturas bajas .muy cercimas a

Acl; se describioque ocurre una transferencia de defoimacion desde la Ferrlta '

altamente defonnada hacia fa Martensita como Unica manera de aliviar las

tensiones intemas concentradas en la matriz, esto sugiere que la resistenci':l de , ,"

la intercara es superior a la resistencia "a la fluencia'de la Martensita; despues

de que se ha presentado una fuerte defonnacion de todo el compuesto, ' se inicia

la fracfura pot la nucleacion de vacios en la matriz ferritica en los limites de la

intercara Ferrita :.. Martensita los cuales coalescen en la mediqa que la

transfonnacion progresa hasta que la rotura total del material se hace efectiva.

La 'situacion es diferente cuando se incrementa la temperatUra, por que ,se

registra una perdida de volumen de la matriz ferritica entre las islas vecinas de

Martensita, de mahera que an,te la aplicacion de una carga no se cuenta con una

,proporcion de fase matriz que pueda experimentar una defonnaci6n plastica

extensiva, 10 que significa que se esta restando de hecho ductilidad aI. material.

Se ha encontrado que cuando ~e excede 0.2% en l~fraccion volumetrica de ,

Martensita se produce la fonnacion prematura de vacios por debajo de las

cargas de elongacion unifonne y disminuyen paralelamente los </espaci~s entre

ellos, Cuan~o la pelicula de Ferrita que separa las islas de Martensita es muy .

frna, la situacion se' agrava, por que esa pelicula siente la accion de freno de las

martensitas vecinas (mas resistentes y poco defonnables)* a traves de la

• Anleriormente se pJanleo el criterto de In resistenCia de fa Mnrtensit-a en funci6n de 1a restricci6n que Ie opone la fase que 18 rodea en su fomUlci6n; en cSle caso ,el colch6n ferritico es mucho mas delgado, de manera que se -incrementa la oposici6n de la Austeruta, por 10 tanto, se espera que en In medida que se aumente ill canljdud de Austenita ·se incrementen los esfue~os intemos (subestructura) de fa Martensila y por 10 tanto su resistencia , Para sustenlar csta bip6tesis es necesarto reeurrir a tecrucas sofisticadas de

. microscopia electr6nica. '

40

intercara F errita - Martensita, sin ' haberse experimentado cas! runguna

defofII¥lcion plastica, bajo estas condiciones para aliviar la altacoIicentraci6n .

de . tensiones de la matriz se espera que la · Martensita inicie su deformaci6n

plastica, pero 10 que se ha registrado hasta el momento es que antes de que

ocurra una deformaci6n apreciable de · esta fase sepresenta el desgarre

. intergranular de baja energia a 10 largo de la Ferrita y preferencialmente en la

intercara formada por la Martensita gruesa continua tal como se ilustra en la

Tabla 3. De esta forma, la trayectoria trazada por una grieta eneste material es

menos quebradiza y mas corta p.or que se tiende a 10 largo . de los limites de

granD de la Austenita madre siguiendo · l~ disposicion de las cadenas continuas

de Martensita gruesa; es por ello que se cuenta con una baja tenacidad, alta

resistencia y deficiente ductilidad a temperaturas cercanas a Ac3'

Un acero de bajo carbono que se trate a bajas temperaturas dentro del rango

intercritico puede fallar por desgarre de baja energia si' presenta bandas de

segregacion en las que · aparecera la matriz ferritica dispuesta en laminas muy

delgadas entre la Martensita 0 donde la Martensita puede estar dispuesta como . .

grandes cadenas continuas proporcionandoun patron de fractura facil; ·de

manera que para disminuir la probabilidad de nucleacion de grietas por clivaje

en la .matriz ferritica es necesario practicar tratamientos de homogenizacion

antes del sostenirriiento intercritico y escoger una estructura de partida del tipo .

martensitico para obtener una mayor cantidad de islas de· la fase dura · . distribuidas uniformemente en el material de manera que se propicie la fractura

de la F errita por nucleacion de vacios y coalescencia despues de haber sufrido

grandes cantidades de deformaci6n piastica.

41