FORMABILIDAD A ALTA TEMPERATURA DEL ACERO AIS1 1045F

Víctor Cortés Suárez Roberta Hernández López

César Tovar Zaragaza

hD!!ñ UNIVERSIDAD AUTONOMA METROPOLITANA UNIDAD AZCAPOTZALCO. División de Ciencias Básicas e Inge,niería

Departamento de Ciencias Basicas Gasa abierta al tiempo

ISBN 970-620-769-4 Octubre de 1995

FQRMABILIDAD A ALTA TEMPERATURA DEL ACERO AIS1 1045F

Víctor Cortés Suárez +, Roberto Hernández López + & César Tovar Zaragoza * + Depto. de Materiales, U.A.M.-Azcapotzalco

*Facultad de Química, U.N.A.M.

RESUMEN:

La tendencia a la localización del flujo plástico en un acero de medio carbono en función de los parámetros de conformado en un rango de rapidez de deformación de 1 a 100 s-1 y a temperaturas de 850 a 1050 "C se evaluó por medio del ensayo de compresión restringida. Esta tendencia fue analizada con la ayuda del parámetro empírico denominado DGV (distributed gage volume) por sus iniciales en inglés. La aleación exhibe dos comportamientos, cuando endurece existe una distribución homogénea de la deformación y el valor del parámetro DGV se incrementa. Cuando se activan los procesos de restauración dinámica, particularmente la recristalización dinámica provocados por el grado de deformación, la deformación es localizada, generando bandas de corte y gradientes en el tamaño de grano, conduciendo a bajos valores del parámetro del DGV.

I. INTRQDUCCI~N

La importancia de las aleaciones metálicas en la tecnología moderna se debe en gran parte a la facilidad con la que ellas se pueden conformar en formas útiles, mediante diversos procesos termomecánicos. En muchos productos las propiedades mecánicas dependen del control del endurecimiento por deformación durante el proceso; tal es el caso del conformado a baja temperatura. En otros casos se requiere el control preciso de la deformación, temperatura y rapidez de deformación durante el proceso para desarrollar la estructura y propiedades óptimas, como lo es en el conformado a alta temperatura (1-3).

Para desarrollar la estructura y propiedades óptimas de la aleación, se requiere comprender los efectos de las variables del conformado a alta temperatura sobre los cambios estructurales que sufre la aleación durante la deformación. Las relaciones deducidas entre microestructura y variables de deformación plástica a través de ecuaciones constitutivas de esfuerzo y deformación en términos de las variables de rapidez de deformación y temperatura podrán ser aplicables a procesos de deformación plástica (4-11).

Un problema que se presenta durante los procesos termomecánicos a alta temperatura, es el fenómeno del flujo plástico localizado, llamado también inestakdidad plástica; este flujo localizado involucra una fuerte interacción entre la pieza conformada y la herramienta, así como consideraciones de propiedades del

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material y parámetros del proceso. La propiedad del material más importante en el conformado en caliente es la dependencia del esfuerzo de flujo con la temperatura. A temperaturas del conformado en caliente, son generadas gradientes de temperatura lo que a su vez origina gradientes de deformación y de rapidez de deformación; y en casos extremos, pueden desarrollarse bandas de corte, las cuales son un tipo común de falla en productos conformados.

El estudio del flujo localizado o inestabilidad plástica es de gran importancia en el diseño de procesos de conformado y en la optimización del empleo de los materiales metálicos, pues se trata de determinar, en ambos casos, las condiciones requeridas para que el material se deforme de manera homogénea y de prevenir la localización de la deformación plástica y con esto eliminar la causa de aparición de grietas.

La formabilidad del material es la herramienta que nos auxilia para comprender la presencia del flujo localizado, permitiéndonos encontrar las condiciones idóneas o factibles de modificar en el proceso o en el material a fin eliminar el flujo localizado (1 2-1 6).

El objetivo de este trabajo es caracterizar la respuesta a la deformación plástica a alta temperatura del acero AIS1 1045F, utilizando los ensayos de compresión restringida para evaluar la tendencia al flujo localizado del material a través del parámetro DGV (distributed Gage Volume), para determinar el comportamiento del material de acuerdo a su resistencia a la fractura y a su resistencia a la deformación plástica.

1.1. ENSAYO DE COMPRESIÓN RESTRINGIDA(17Js)

Es un nuevo ensayo que mide la susceptibilidad de un material al flujo localizado, mediante un parámetro empírico, llamado Distributed Gage Volume (DGV). Se utiliza una probeta con una sección reducida para simular la producción de forjas con geometrías complejas.

Los productos de forja con geometrías complejas, frecuentemente desarrollan regiones de alta deformación localizada. Estas regiones son reveladas por líneas de flujo, diferencias en tamaño de grano, gradientes en dureza y/o bandas de corte, que quizás el ejemplo más típico de la deformación localizada son las bandas de corte adiabáticas. Las bandas de corte adiabáticas se desarrollan bajo condiciones de alta rapidez de deformación cuando el calor generado por la deformación local no es disipado. Como resultado, el esfuerzo de flujo local disminuye y promueve el flujo localizado. Las bandas de corte pueden extenderse en toda la sección transversal de un producto de forja, y en algunos casos, puede estar asociado con una falla catastrófica por corte o un agrietamiento. En vista de los efectos potencialmente perjudiciales de la deformación localizada y formación de bandas

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de corte adiabáticas es necesario evaluar la susceptibilidad a la localización de la deformación plástica durante el proceso de forja de las aleaciones en varios estados microestructurales.

Frecuentemente, la forjabilidad se evalúa con el ensayo de compresión uniaxial de probetas cilíndricas entre placas planas. El objetivo de este ensayo es el de identificar las condiciones de operación y propiedades del material que resultan en una fractura; sin embargo, las probetas cilíndricas no consideran o simulan las diferencias en el tamaño de la sección que pueden localizar la deformación y afectar el flujo de forjas con geometrías complejas, por lo que el método alternativo es el ensayo de compresión restringida, que ofrece un medio valioso de caracterizar al material y las condiciones de conformado, con las que se podrá minimizar la heterogeneidad que se obtiene normalmente en piezas con formas complejas por medio de forja. El flujo localizado y la formación de bandas de corte están relacionadas a la recuperación dinámica, a la recristalización dinámica y a la precipitación inducida por la deformación.

1.2. CARACTERfSTICAS DE LA PROBETA

La Fig. 1.1 muestra esquemáticamente la probeta para el ensayo de compresión restringida. La probeta cilíndrica tiene una sección reducida donde se concentra la deformación durante la compresión. La ventaja de la probeta es que la susceptibilidad de un material al flujo localizado o inversamente, su habilidad para distribuir la deformación se puede medir por el parámetro empírico DGV.

t 12.7 mm

12.7 +-- mm

I

38.1 mm

Q

Fig. 1.1 Geometría y dimensiones de la probeta para compresión restringida.

5

El parámetro mide la fracción del volumen inicial de la sección reducida que penetra en los extremos de la probeta; como se muestra por las zonas sombreadas en la Fig 1.2.

Una gran habilidad para distribuir la deformación resultará en una mayor penetración y altos valores del parámetro DGV. Por ejemplo, la sección de referencia endurece por deformación durante la compresión, tiende a deformarse o penetrar en los extremos de la probeta, que se extiende lateralmente para acomodar la penetración (Fig. 1.2a). La extensión lateral, es pequeña y como resultado, la fricción interfacial entre dado y probeta ejerce poca influencia sobre el patrón de deformación de la sección reducida.

(a) (b) Deformación Deformación distribuíd a concentrad a

W G V B a ! !

Fig. 1.2 Representación esquemática mostrando el significado del parámetro DGV.

A la inversa, si la sección reducida no endurece o ablandece por deformación, la deformación serii localizada o concentrada en el área sombreada y el valor del parámetro DGV será bajo (Fig. 1.2b).

1.3 CÁLCULO DEL PARÁMETRO DGV

El parámeiTo DGV, se obtiene con la ecuación:

6 I_

donde: V, = Volumen inicial de la sección reducida Vf = Volumen final de la sección reducida

El volumen final (Vf) se determina sumando los volúmenes del cilindro (V,ii>, y del anillo del sector anular curvo (V,,,), como se muestra en la Fig. 1.3.

(a) Volumen fmai (V,)

f 7

(b) Cálculo de Vcsr

Fig. 1.3 Cálculo del volumen final para determinar el parámetro DGV

El área se calcula con la ecuación:

A = (1/2) (0.01 745 r2, a - C(r, - h))

donde: C = Altura final de la sección reducida rc = Radio de curvatura de la sección reducida abarrilada

La altura de la sección curva (h) se calcula con:

7

I

1 2

h = r c - - (4

el ángulo subtendido (a) por el segmento, está dado por:

a = 2 arc cos (y) El radio de rotación (B), es:

B = rb - ( rc - b)

donde: rb = Radio máximo de la sección reducida abarrilada b = Distancia del centroide al centro del círculo, y se calcula de:

C3 12 A

b=-----

El volumen asociado al sector curvo (V,,,) es de acuerdo al Teorema de Pappus:

y el volumen del cilindro (V,,i) se determina con:

AI sumar estos volúmenes (Vcrl y V,,,) se obtiene (Vf) y entonces el valor del parámetro DGV se puede calcular con la ecuación (l*l).

8

Se manifiestan cambios en el valor del parámetro con la temperatura y se explican por la cantidad relativa de endurecimiento en las cabezas de la probeta. Por ejemplo, a bajas temperaturas los procesos de ablandamiento como la recuperación dinámica y la recristalización dinámica son inhibidos y la sección considerada se endurece más con la deformación relativa de las cabezas de la probeta. Deformación subsecuente es por lo tanto distribuida en las cabezas de la probeta. Sin embargo, a altas temperaturas los procesos de ablandamiento son más competitivos con los de endurecimiento y el área considerada no puede endurecerse tan efectivamente.

Como resultado, la deformación es concentrada en el área considerada y el valor del parámetro DGV es bajo. La proporción exacta del ablandamiento atribuible a la recuperación dinámica y a la recristalización, aún no ha sido determinada debido a los varios factores involucrados.

11. DESARROLLO EXPERIMENTAL

2.1. ACERO EXAMINADO

El material bajo estudio fue el acero AIS1 1045F, con una presentación en forma de barra de 31.75 mm de diámetro para las probetas del ensayo de compresión restringida. La fabricación de este acero es a través de la ruta convencional: arrabio en el alto horno, acero en el horno de arco eléctrico, colada en lingotes y laminación hasta las dimensiones finales.

El acero AISI 1045F está clasificado dentro del grupo de aceros de medio contenido de carbono. Los aceros de este grupo son seleccionados para usos en donde se requieren altas propiedades mecánicas, que frecuentemente se obtienen por tratamiento térmico y/o deformación en frío; por esta razón tiene una amplia aplicación en la Industria Metal-Mecánica para la obtención de piezas forjadas de gran precisión a baja o alta temperatura, además presenta las características metalúrgicas para poder endurecerlo superficialmente por inducción o a la flama (1%

La composición química y las propiedades mecánicas del acero examinado se listan en las Tablas 2.1 y 2.2 respectivamente.

Tabla 2.1 Composición del Acero AISI I %C I %Mn I %Si I %Cr I 1 0.52 1 0.88 I 0.26 I 0.013 I 0.017 I 0.016 I 0.026 I 0.010 I

I

* Análisis p9r Espectroscopia de Emisión, realizada en AHMSA

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2.2 ANALISIS MICROESTRUCTURAL

i i!

Para el ensayo de compresión restringida las probetas tuvieron las dimensiones originales (8). Las dimensiones de las probetas fueron medidas antes y después del ensayo con un comparador óptico marca Werth, en los Laboratorios del Sistema Colectivo - Metro.

2.3 CONDICIONES DEL ENSAYO

Los ensayos se efectuaron a las temperaturas de 850, 950 y 1050 "C, a una rapidez de deformación nominal de 1, 10 y 100 s-1 en condiciones no isotérmicas para evaluar la resistencia a la deformación plástica, la resistencia a la fractura y la tendencia al flujo plástico localizado, como una función de la temperatura, rapidez de deformación y deformación.

Las probetas se mantuvieron durante 15 minutos a la temperatura de ensayo y para protegerlas de la oxidación fueron previamente cobrizadas; el tiempo utilizado para transferir las probetas a la mhquina y realizar el ensayo fue en promedio 5 segundos. Se utilizaron dos insertos de acero 5160 en las mordazas como placas de compresión previamente tratadas térmicamente para que soportaran las cargas, así mismo se precalentaron antes de realizar el ensayo a una temperatura aproximada de 400 "C para minimizar el choque térmico con la probeta.

Para la construcción de la curva de flujo, se comprimieron 7 probetas a diferentes alturas por duplicado para asegurar reproducibilidad en el método de ensayo, registrando en cada caso la carga aplicada. Los cálculos del parámetro DGV, se obtuvieron utilizando la ecuación (1.1).

2.4 SISTEMAS DE PRUEBAS MECÁNICAS

Los ensayos se realizaron en una máquina servohidraúlica MTS Modelo 810 con capacidad de 250 kN (25 Ton), mostrada en la Fig. 2.2. El sistema se compone de los siguientes elementos principales: la consola, el marco de carga y la unidad de potencia hidráulica (22).

El sistema proporciona una rápida y fácil ejecución de los ensayos, así como una reproducibilidad del método de ensayo. El control programable del sistema permite obtener condiciones de esfuerzos y rapidez de deformación comparables con las obtenidas en procesos termomecánicos industriales (23-27).

11

1 :3

111. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

3.3. ENSAYO DE COMPRESIÓN RESTRINGIDA

Las Figs. 3.1 a la 3.3 muestran las curvas de flujo en función de la temperatura y rapidez de deformación. En todos los casos se observa:

a) Al incrementar la temperatura el esfuerzo de flujo disminuye b) Exceptuando el ensayo realizado a 1050 "C y 100 s-1, se alcanza un pico o

c) El pico o máximo en el esfuerzo de flujo se ve irúiuído por la temperatura y

d) Después del pico y la subsecuente caída del esfuerzo, se observa una incipiente

e) Después de la incipiente meseta, la curva de flujo se vuelve ascendente, debido a

máximo en el esfuerzo de flujo en el intervalo de 20 a 50% de deformación

rapidez de deformación

meseta de baja extensión, manifestación de un estado estacionario

que el material ofrece una resistencia adicional conforme se comprime

La presencia del pico o máximo en el esfuerzo es indicativo de que el material sufre una recristalización dinámica, y está asociada a un valor de deformación llamada "deformación crítica para la recristalización dinámica", en donde ocurre la nucleación de nuevos granos libres de deformación. El mecanismo de la recristalización dinámica explica la disminución del esfuerzo de flujo con incremento de la temperatura o disminución de la rapidez de deformación. A altas temperaturas (> 0.6Tf), el acero presenta una estructura austenítica que se caracteriza por una baja energía de falla de apilamiento (EFA) y un alto grado de recristalización dinámica.

El ascenso de la curva de flujo después de la incipiente meseta, al incrementar el esfuerzo, se debe a que al comprimir la probeta, las zonas muertas se van aproximando y al traslaparse originan un incremento en la carga para deformar, elevándose la curva de flujo.

14

Esfuerzo (MPa)

~ [ + 8 5 0 QC *950 QC +I050 QCI 250

I

I I

'

O 20 40 60 80 1 O 0 '% Deformación logar í tmica

Fig. 3.1 Curvas de flujo en compresión restringida a una rapidez de deformación de 1 s-1.

Ecf uerzo (MPa)

O 20 40 60 80 1 O0 % Deformacibn logar i tmica

Fig. 3.2 Curvas de flujo en compresión restringida a una rapidez de deformación de 10 s-1.

15

Esfuerzo (MPa)

P O 300 Q C +950 QC +lo50 QC

O 20 40 60 80 1 O0 % Deformación logar i tmica

Fig. 3.3 Curvas de flujo en compresión restringida a una rapidez de deformación de 100 5-1

Las Figs. 3.4 a la 3.6 muestran el comportamiento representativo que se obtuvo para tres diferentes temperaturas y rapidez de deformación correlacionando la curva de flujo con el parámetro DGV en porciento, donde se observa cómo el % DGV es influído por los parámetros de conformado. Las curvas de las Figs. 3.4 y 3.5 se pueden dividir en 3 regiones:

Región I.- Zona de endurecimiento por deformación. El material incrementa su resistencia conforme se deforma, y el valor del parámetro DGV incrementa con la deformación; se asume que el material distribuye o deforma homogéneamente, hasta el pico o máximo en el esfuerzo de la curva de flujo.

Región 11.- Zona de ablandamiento. La resistencia del material disminuye al deformarse plásticamente; actúan los procesos de restauración, predominando la recristalización dinámica. El valor del parámetro DGV disminuye y se asocia con una conceritración o deformación heterogénea de la deformación plástica. Es una región de posible formación de defectos.

Región HI.- Comprende una zona de una incipiente meseta y ascenso de l a curva de flujo; un equilibrio entre los mecanismos de ablandamiento y endurecimiento y un incremento subsecuente en la resistencia. El parámetro DGV vuelve a incrementar con la deformación, indicativo de que se distribuye la deformación.

16

La curva de flujo de la Fig. 3.6 muestra un continuo endurecimiento con la deformación plástica y por lo tanto un continuo incremento en el valor del parámetro DGV; este comportamiento indica que bajo estas condiciones el material se deforma o distribuye homogéneamente.

Esfuerzo (MPa) % DGV 250 r,

I - - 9

150

i nn

2oo

O O 20 40 60 80 100

% Deformacidn logar i tmica

16

14

12

10

8

6

4

2

O O

Fig. 3.4 Curvas de esfuerzo, %DGV vs. deformación en compresión restringida a 850 "C y una rapidez de deformación de 1 s-1.

% DGV ~- Esfuerzo (MPa)

250 ____

200

150

1 O0

50

O

+Esfuerzo *% DGVI

-7

1 l 2

/ l 2 _I____ ___J

20 40 60 80 1 O8 % Deformacidn l o g a r i t m i c a

Fig. 3.5 Curvas de esfuerzo, %DGV vs. deformación en comyresilórz restringida a 950 "C y una rapidez de deformación de 10 SI.

17

Esfuerzo (MPa)

% Deformación logar í tmica Fig. 3.6 Curvas de esfuerzo, %DGV vs. deformación en compresión restringida a 1050 "C y

una rapidez de deformación de 100 s-1.

En !a Fig. 3.7 se muestra un conjunto de probetas de compresión restringida ensayadas a 950 "C y a una rapidez de deformación de 10 s-1.

La Fig. 3.8 revela las líneas de flujo plástico, mostrando las zonas de alta y baja deiormación. Estas líneas de flujo plástico son producidas por el estado de esfuerzos inherente al ensayo y a las condiciones de fricción interna del material entre la sección reducida y las cabezas de la probeta. De acuerdo con la curva %DGV vs % deformación logarítmica de la Fig. 3.5, la probeta de la Fig. 3.8c, no se deforma homogéneamente, conduciendo a un bajo valor del parámetro DGV, el cual coincide con la región en donde se presenta el mecanismo de la recristalización dinámica.

18 ._

a C

'1) Pt3'Ll

19

g) 9%

Fig. 3.8 Macrografím de prc>b,etas de compresión restringida a dikrentes grados de deformación.

Con el m s a v o de c ompresiicíri rcistrii-igida cs posihIt> obtener las curvas de flujo y por Io tmtn cs psjblc dtxlucir prcq.>iectaclec mecAnicas. La curvci Jr flujo se eleva con ir-icrc~meiitri en la rapidcz cit. deformacion y disminuye coi? el ariinmto cle la tempcratura í n s curvct<i rlr. flujo presentan un pico o máxinici tin el esfuerzo, manifectaci6n de Id

iictivnciciiti tlc IC+ recristalizxion dinámica. El picv o rnaxirrio en el c~,fut.rt,o de flujo pStá influencidtlo por 1‘1 teinperah;ra y rapideL de cleforniacinn. El parametro TXV es una herramienta uti1 para cíetrrrninar lac condiciones de flup piaqtic-o q u ~ producirán p~ezas coii unn dc~foriiiación dictribuicia, disminuycncio el t i t ~ s g c ~ de fallas o piezas dcfer tuusas. El tlulci piaqtico lucalizcido está asociado la prewnc-ia dc> la recristalkación dinániirci v <t su vc7 a urt bajo valor del parámvtro DG\’ El L ~ c c ~ o iIIS1 1043F no piescnto fisuratniento ii-iclicacion cic~ clue posee una biien,i iorinabilicind: cl único cispeito en qiie deber4 krierse cuidado es el de evitar grados de JeiorniaciOii doncit~ se presrnta In r c ~ ~ i s t a l i 7 a < ión rirnámica, a fin de evitar el riesgo de ícillas tlcl material clurci\iitcl ~ L I i-i~ntormadc~ u alta trnipcrahira.

2 1

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