ES2282032B1 - Medida del endurecimiento austenitico y prediccion del grano ferritico final de aceros laminados en caliente. - Google Patents

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Medida del endurecimiento austenítico y predicción del grano ferrítico final de aceros laminados en caliente. Se presenta un nuevo método de evaluación de las posibilidades de afino del grano ferrítico de una ruta de laminación. La idoneidad de la ruta de procesado elegida queda expresada en función del grado de endurecimiento de la austenita alcanzado durante la laminación, cuantificado a partir del valor de una magnitud denominada ¿tensión acumulada¿. El método de la tensión acumulada reúne las ventajas de proceder de estudios realizados en condiciones análogas a las del proceso industrial y de no requerir de observaciones metalográficas, pues se vale de datos extraídos en ensayos termomecánicos de laboratorio. Se puede concluir que una ruta de laminación debe generar tensiones acumuladas de al menos 40 MPa para así dar lugar a un afino de grano sustancialmente beneficioso para las propiedades mecánicas.

Description

Medida del endurecimiento austenítico y predicción del grano ferrítico final de aceros laminados en caliente.
Sector de la técnica
Ingeniería Metalúrgica. Tratamiento termomecánico de aceros de alta resistencia.
Estado de la técnica
Cuando un acero es laminado en caliente a temperaturas por debajo de la denominada de "no-recristalización" (T_{nr}), la austenita no puede completar su recristalización durante el tiempo transcurrido entre dos pasadas sucesivas de laminación (conocido como tiempo interpaso), de modo que va produciéndose un progresivo endurecimiento de la austenita a medida que se aplican deformaciones a temperaturas cada vez menores S. F. Medina, V. López. ["Static Recrystallization in Austenite and its Influence on Microstructural Changes in C-Mn Steel and Vanadium Microalloyed Steel at the Hot Strip Mill". ISIJ International, vol. 33 (1993), 5, 605-614].
En aceros limpios, los lugares más relevantes para la nucleación de la ferrita (al enfriar por debajo de la temperatura de transformación de fase A_{r3}) son los límites de grano austenítico. Para una velocidad de enfriamiento constante, los granos de ferrita nuclearán más rápido cuando la transformación de fase parta de una austenita fina, y más aún cuando la austenita al final de la laminación esté endurecida. En este último caso, la nucleación de ferrita poligonal por unidad de volumen de austenita se acelerará debido a diferentes mecanismos [M. Umemoto, A. Hiramatsu, A. Moriya, T. Watanabe, S. Nanba, N. Nakajima, G. Anan, Y. Higo. "Computer Modelling of Phase Transformation from Work-Hardened Austenite". ISIJ International, vol. 32 (1992), 3, 306-315]:
-
Los granos de austenita endurecida adoptan formas alargadas y aplanadas y por tanto cuentan con más superficie por unidad de volumen que los granos recristalizados [M. Umemoto, H. Ohtsuka, I. Tamura. "Transformation to pearlite from work-hardening austenite". Trans. Iron Steel Inst. Jpn. 23, (1983), 775-784]. Además, los límites de estos granos presentan rebordes que hacen disminuir la energía de activación para la nucleación y aumentar la tasa de nucleación por unidad de tiempo y de área de límite de grano [S. Nanba, M. Kitamura, M. Shimada, M. Katsumata, T. Inoue, H. Imamura, Y. Maeda, S. Hattori. "Prediction of Microstructure Distribution in the Through-thickness Direction during and after Hot Rolling in Carbon Steels". ISIJ International, vol. 32 (1992), 3, 377-386; M. Umemoto, H. Ohtsuka, I. Tamura. "Estimation of ferrite grain size formed from work-hardened austenite". Proceedings of THERMEC '88. Iron and Steel Institute of Japan, Tokyo, (1988), 769-776].
-
En la austenita deformada se forman lugares adicionales para la nucleación de nuevos granos de ferrita: maclas de recocido, estructuras de deformación, alta densidad de dislocaciones, etc.
Aunque el crecimiento de los nuevos granos ferríticos es también más rápido cuando la austenita previa está endurecida [S. Nanba, M. Kitamura, M. Shimada, M. Katsumata, T. Inoue, H. Imamura, Y. Maeda, S. Hattori. "Prediction of Microstructure Distribution in the Through-thickness Direction during and after Hot Rolling in Carbon Steels". ISIJ International, vol. 32 (1992), 3, 377-386], el considerable incremento en la tasa de nucleación garantiza que el grano final será particularmente fino en este caso. Por consiguiente, la evaluación y cuantificación del estado de endurecimiento de la austenita durante y al final de la laminación (a temperaturas comprendidas entre T_{nr} y A_{r3}) son sumamente importantes cuando se desea estimar las posibilidades de afino de grano ferrítico final que tendrá una determinada ruta de laminación.
La evolución microestructural de los metales deformados en caliente está controlada principalmente por el progreso o inhibición de la recristalización estática durante el tiempo interpaso. Esta evolución puede seguirse directamente midiendo la fracción recristalizada mediante observaciones metalográficas [A. B. Quispe; S. F. Medina; J. M. Cabrera, J. M. Prado. "Effect of Strain on Recrystallisation-precipitation interaction in low vanadium microalloyed steel". Materials Science and Technology, vol. 15, (1999), 635-642; R. Abad; A. I. Fernández; B. López; J. M. Rodríguez-Ibabe. "Interaction between Recrystallization and Precipitation during Multipass Rolling in a Low Carbon Microalloyed Steel". ISIJ International, vol. 41 (2001), 11, 1373-1382], pero esta técnica es larga y tediosa. Además, no siempre es posible, por ejemplo en los aceros de bajo carbono o para bajas temperaturas de temple, donde los límites de grano de la austenita original se revelan con dificultad y la distinción entre los granos recristalizados y los deformados es complicada. La estimación del área de límites de grano por unidad de volumen (S_{v}) [E. E. Underwood. "Quantitative Stereology", Ed. Addison-Wesley (1970), 24; A. Sandberg, W. Roberts. "The influence of thermomechanical treatment on the continuous-cooling transformation of austenite in microalloyed steels". Conference Proceedings Thermomechanical Processing of Microalloyed Austenite; The Metallurgical Society of AIME, Pittsburgh, Pa., (1982), 405-431; R. Bengochea; B. López; I. Gutiérrez. "Influence of the Prior Austenite Microstructure on the Transformation Products Obtained for C-Mn-Nb Steels after Continuous Cooling". ISIJ International, vol. 39 (1999), 6, 583-591] requiere igualmente la preparación y observación metalográfica de probetas del material estudiado.
Debido a estos inconvenientes, la evolución de la microestructura austenítica durante la laminación en caliente es a menudo estudiada por técnicas indirectas, como la medida de la fracción ablandada mediante ensayos termomecánicos de laboratorio de doble deformación [J. J Jonas, I. Weiss. "Effect of Precipitation on Recrystallisation in Microalloyed Steels". Metal Science, vol. 13 (1979), 4, 238-245; O. Kwon, A. DeArdo. "Interactions Between Recrystallisation and Precipitation in Hot-Deformed Microalloyed Steels". Acta Metalurgica, vol. 39 (1991), 4, 529-538; H. L. Andrade, M. G. Akben, J. J. Jonas. "Effect of Molybdenum, Niobium and Vanadium on Static Recovery and Recrystallisation and on Solute Strengthening in Microalloyed Steels". Metallurgical Transactions A, vol. 14 A (1983), 1967-1977]. Con estos ensayos también puede determinarse la deformación residual o acumulada en sucesivos pasos [S. F. Medina, V. López. "Static Recrystallization in Austenite and its Influence on Microstructural Changes in C-Mn Steel and Vanadium Microalloyed Steel at the Hot Strip Mill". ISIJ International, vol. 33 (1993), 5, 605-614; R. Bengochea; B. López; I. Gutiérrez. "Influence of the Prior Austenite Microstructure on the Transformation Products Obtained for C-Mn-Nb Steels after Continuous Cooling". ISIJ International, vol. 39 (1999), 6, 583-591; P. Choquet, A. Le Bon, Ch. Perdrix. "Mathematical Model for Prediction of Austenite in Hot Rolling Processes". International Conference on the Strength of Metals and Alloys, ed. By H. J. McQueen, Montreal, (1985), 1025-1030]. Sin embargo, este método consiste en la aplicación de dos pasos de deformación, normalmente en condiciones isotérmicas, lo que difiere de la laminación industrial, donde se aplican múltiples pasos en condiciones de enfriamiento continuo.
A la hora de diseñar u optimizar una ruta de procesado con vistas a potenciar el afino del grano ferrítico, la deformación aplicada por pasada y el tiempo interpaso serán dos de las condiciones de laminación del acero que influirán en mayor medida sobre el grado de endurecimiento de la austenita al final de la laminación. Se puede concluir que existe la necesidad de encontrar un método alternativo a la observación metalográfica convencional que permita por una parte cuantificar el endurecimiento de la austenita durante y al final de una laminación realizada bajo una determinada combinación de deformación aplicada y tiempo interpaso. Por otra parte, este método debería también vincular este valor de endurecimiento con el tamaño de grano final del acero.
Descripción de la invención - Breve descripción de la invención
Se presenta un nuevo método que permite evaluar las posibilidades de afino del grano ferrítico de una determinada ruta de laminación (definida específicamente por una combinación de tiempo interpaso, deformación aplicada por pasada y temperatura final). La idoneidad de la ruta de procesado elegida queda expresada en función del grado de endurecimiento de la austenita alcanzado durante la laminación, cuantificado a partir del valor de una magnitud que ha sido denominada "tensión acumulada". Las principales ventajas del método de la tensión acumulada son en primer lugar la de proceder de estudios realizados en condiciones de enfriamiento continuo análogas a las del proceso industrial y en segundo lugar la de no requerir de observaciones metalográficas, ya que este método se vale de los datos de temperatura, tensión y deformación extraídos en ensayos termomecánicos de laboratorio. Gracias a este método se puede concluir que una ruta de laminación debe generar tensiones acumuladas antes del enfriamiento de al menos
40 MPa, para así dar lugar a un afino de grano sustancialmente beneficioso para las propiedades mecánicas de aceros microaleados de bajo carbono.
- Breve descripción del contenido de las figuras
Figura 1. Curvas tensión-deformación correspondientes a una secuencia de 17 pasos de torsión realizados en las siguientes condiciones: austenización a 1200ºC, 15 min; \varepsilon = 0,3; tiempo interpaso \Deltat = 30 s.
Figura 2. Curvas tensión-deformación correspondientes a una secuencia de 20 pasos de torsión realizados en las condiciones expuestas.
Figura 3. Dependencia de la tensión media de fluencia (MFS) frente a la inversa de la temperatura absoluta. Determinación de la temperatura de no-recristalización T_{nr}, las temperaturas de transformación de fase durante el enfriamiento A_{r3} y A_{r1}, y las regiones microestructurales del acero durante la laminación en caliente (I, II, III). Austenización a 1200ºC, 15 min; \varepsilon = 0,3; tiempo interpaso \Deltat = 30 s [R. Abad; A. I. Fernández; B. López; J. M Rodríguez-Ibabe. "Interaction between Recrystallization and Precipitation during Multipass Rolling in a Low Carbon Microalloyed Steel". ISIJ International, vol. 41 (2001), 11, 1373-1382].
Figura 4. Dependencia de la tensión media de fluencia (MFS) frente a la inversa de la temperatura absoluta de acuerdo con las condiciones expuestas. Determinación de la temperatura de no-recristalización T_{nr}, las temperaturas de transformación de fase durante el enfriamiento A_{r3} y A_{r1}, y las regiones microestructurales del acero durante la laminación en caliente (I, II, III, IV).
Figura 5. Dependencia de la tensión media de fluencia (MFS) frente a la inversa de la temperatura absoluta. Método de medida del endurecimiento de la austenita entre T_{nr} y A_{r3} mediante la determinación de la tensión acumulada (\Delta\sigma).
Figura 6. Relación entre la tensión acumulada a temperaturas comprendidas entre T_{nr} y A_{r3} (\Delta\sigma) y el endurecimiento de la austenita.
Figura 7. Evolución de la tensión acumulada en A_{r3} (\Delta\sigma) frente al tiempo interpaso para diversos aceros microaleados con Nb o V.
Figura 8. Tamaño de grano ferrítico D\alpha frente a la tensión acumulada \Delta\sigma.
Figura 9. Dependencia de la tensión media de fluencia (MFS) frente a la inversa de la temperatura absoluta. Determinación de la tensión acumulada (\Delta\sigma) para dos condiciones de deformación diferentes. a) \Deltat = 20 s, \varepsilon = 0,20; b)
\Deltat = 500 s, \varepsilon = 0,35.
- Descripción detallada de la invención
A partir de un ensayo termomecánico de laboratorio de simulación de laminación en caliente (efectuado por ejemplo mediante la técnica de torsión en caliente) es posible trazar curvas tensión-deformación como las de las figuras 1 [R. Abad; A. I. Fernández; B. López; J. M. Rodríguez-Ibabe. "Interaction between Recrystallization and Precipitation during Multipass Rolling in a Low Carbon Microalloyed Steel". ISIJ International, vol. 41 (2001), 11, 1373-1382] y 2, realizadas en unas determinadas condiciones de tiempo interpaso (\Deltat) y deformación aplicada por pasada (\varepsilon). En estas figuras, el valor de la tensión máxima alcanzada en cada paso muestra con una buena aproximación aquellos pasos en los que parecen haber ocurrido cambios que darán lugar a diferentes microestructuras de la austenita y en su posterior transformación a ferrita. No obstante, las temperaturas criticas de la laminación (T_{nr}, A_{r3}, A_{r1}) se observan mejor en curvas como las de las figuras 3 y 4, que representan la tensión media de fluencia ("Mean Flow Stress MFS") frente a la inversa de la temperatura absoluta (1/T), de acuerdo con el método propuesto por Jonas et al. [F. Boratto, R. Barbosa, S. Yue, J. J. Jonas. "Effect of chemical composition on the critical temperatures of microalloyed steels". Proceedings of THERMEC '88. Iron and Steel Institute of Japan, Tokyo, (1988), 383-390]. El valor de MFS se determina calculando por integración numérica el área bajo la curva tensión-deformación correspondiente a cada paso y dividiendo este valor por la deformación aplicada.
A altas temperaturas, la austenita recristaliza completamente entre pasos y MFS describe una línea recta (I) hasta llegar a T_{nr}. Para temperaturas menores a T_{nr}, MFS sigue una recta de mayor pendiente (II) porque la recristalización de la austenita se ve parcialmente inhibida. En el caso de los aceros microaleados, esta inhibición se debe principalmente a la precipitación de carbonitruros de los elementos microaleantes. El inicio de la formación de ferrita establecido por A_{r3} se localiza en el punto donde cambia de nuevo la pendiente y comienza el tramo final de la curva MFS, que puede asimilarse a una parábola (III, IV) cuyo mínimo correspondería a la temperatura de transformación eutectoide A_{r1}.
El método presentado parte de la idea de que, durante su progresivo endurecimiento a temperaturas menores a T_{nr}, la austenita va acumulando una tensión. La cuantía de esta tensión acumulada (\Delta\sigma) puede calcularse a cualquier temperatura comprendida entre T_{nr} y A_{r3}, midiendo la distancia vertical entre las dos rectas de regresión de las fases I (recristalización completa) y II (recristalización incompleta), tal y como muestra la figura 5. El valor de la tensión acumulada \Delta\sigma es igual al incremento de tensión comparado con el valor que habría alcanzado MFS si la recristalización entre pasos hubiese sido completa. El valor máximo de \Delta\sigma se alcanza en los instantes previos al comienzo de la transformación \gamma \rightarrow \alpha (T = A_{r3}). Si la austenita recristaliza completamente entre pasos hasta alcanzar A_{r3} no existirá T_{nr}, por lo que solo habrá una línea de regresión y \Delta\sigma tomará un valor nulo.
Además de por el incremento de la tensión media de fluencia (MFS) en ensayos de laboratorio, la tensión acumulada también puede ser determinada registrando los valores alcanzados por la fuerza aplicada en los rodillos de laminación durante el propio proceso industrial. La tensión aplicada y la fuerza de laminación están relacionadas por ecuaciones como la de Alexander-Ford [H. Ford, J. M. Alexander. "Simplified Hot Rolling Calculations". Journal of the Institute of Metals, vol. 92, (1963-64), 397-404], de modo que a partir de ambas magnitudes puede evaluarse de una manera sencilla y precisa las posibilidades que tiene una ruta de laminación concreta de afinar el grano ferrítico y calcularse en ultima instancia los incrementos previstos en el límite elástico o la reducción de la temperatura de transición dúctil-frágil del acero.
Las micrografías de la figura 6 permiten comprobar que existe una relación directa entre el valor de la tensión acumulada y el endurecimiento de la austenita. Por encima de T_{nr}., la aplicación de deformaciones provoca un afino del grano austenítico y el valor de \Delta\sigma permanece nulo. Sin embargo, a medida que se aplican pasos por debajo de T_{nr}, la austenita se va endureciendo, sus granos se van alargando y aplastando y el valor de \Delta\sigma aumenta.
En la figura 7 se muestra la evolución de la tensión acumulada en A_{r3} para una serie de aceros y diversas condiciones de laminación. Toda vez que la figura 6 ha ilustrado cómo el método de la tensión acumulada aquí presentado sirve para cuantificar el endurecimiento de la austenita durante su tratamiento termomecánico, la figura 7 ayuda a precisar aquellas condiciones de laminación que favorecen la obtención de una austenita endurecida al final de la laminación, momentos antes del comienzo de la formación de ferrita. Así, puede apreciarse como en todos los casos un aumento del tiempo interpaso o de la deformación aplicada por pasada provocan un descenso del valor de \Delta\sigma en A_{r3}, es decir, un menor endurecimiento de la austenita al final de la laminación, en los instantes previos al comienzo del enfriamiento.
Por ultimo, la figura 8 relaciona los valores de \Delta\sigma alcanzados antes del enfriamiento con el tamaño de grano ferrítico medido tras este enfriamiento. Gracias a esta gráfica puede comprobarse como la determinación del valor de \Delta\sigma supone también una vía novedosa para estimar las posibilidades de afino del grano ferrítico que tiene una determinada ruta de laminación, pues siempre se cumple que a mayor valor de \Delta\sigma más fino es el grano ferrítico. En este sentido, puede concluirse que para conseguir un afino de grano ferrítico apreciable que lleve a una mejora sustancial de las propiedades mecánicas, las condiciones de laminación deben conducir a tensiones acumuladas antes del enfriamiento no menores de 40 MPa. Para ello, deberán aplicarse durante la laminación de chapa tiempos interpaso cortos (\Deltat < 20 s) y bajas deformaciones por pasada (\varepsilon = 0.20).
En definitiva, la tensión acumulada \Delta\sigma (medida directamente y de una manera sencilla sobre las curvas de MFS frente a la inversa de la temperatura), es un método innovador de evaluación del endurecimiento de la austenita a una temperatura cualquiera de final de laminación y bajo diferentes condiciones de tiempo interpaso y deformación por pasada. Asimismo, el valor de \Delta\sigma presenta la novedad de poder cuantificar las posibilidades de afino de grano ferrítico de una ruta de laminación en caliente, y todo ello sin necesidad de realizar estudios metalográficos y en condiciones de estudio análogas a las de la laminación industrial. Gracias al método presentado puede concluirse que para obtener un afino de grano ferrítico que dé lugar a una mejora apreciable de las propiedades mecánicas de resistencia y tenacidad, la tensión acumulada en la austenita justo antes de comenzar el enfriamiento debe ser mayor de 40 MPa.
Ejemplo de realización de la invención
La figura 9 muestra el aspecto de dos curvas MFS-1/T correspondientes a dos laminaciones realizadas en el mismo acero microaleado al Nb bajo dos condiciones de deformación diferentes. La utilización de un tiempo interpaso de 20 s y una deformación por pasada \varepsilon = 0,20 genera una tensión acumulada a 825 C \Delta\sigma = 52 MPa (figura 9a). Esta magnitud es igual a la longitud del segmento vertical comprendido entre las dos rectas de regresión de las fases I (recristalización completa) y II (recristalización incompleta). Sin embargo, el aumento del tiempo interpaso a 500 s y de la deformación por pasada a 0,35 (figura 9b) provoca que la recristalización de la austenita entre pasadas de laminación sea completa hasta alcanzar A_{r3}, de modo que \Delta\sigma toma un valor nulo. Gracias a la curva de la figura 8 puede esperarse que la ruta de procesado mostrada en la figura 9a generará un afino de grano ferrítico considerablemente más intenso que el asociado con la de la figura 9b. En concreto, la diferencia entre los tamaños medios de grano en el primer y segundo caso será de unos 6 \mum. De acuerdo con las ecuaciones conocidas [F. B. Pickering. Physical Metallurgy and the Design of Steels. Cap. 4. Ed. Science Publishers Ltd. Londres, (1978): 66-88], se puede concluir que la reducción del tiempo interpaso hasta 20 s y de la deformación por pasada hasta 0,20 provoca una elevación del valor del limite elástico en 100 MPa y una disminución de la temperatura de transición dúctil-frágil de 67ºC.

Claims (4)

1. Medida del endurecimiento austenítico que simula la laminación en caliente de aceros microaleados de bajo carbono por método gráfico caracterizado por realizarse en condiciones de enfriamiento continuo, mediante las curvas de tensión media de fluencia (MFS) frente a la inversa de la temperatura absoluta obtenidas en ensayos termomecánicos de laboratorio.
2. Medida del endurecimiento austenítico que simula la laminación en caliente de aceros microaleados de bajo carbono por método gráfico de acuerdo a la reivindicación 1, caracterizado por controlar la deformación aplicada por pasada por debajo de 0.2.
3. Medida del endurecimiento austenítico que simula la laminación en caliente de aceros microaleados de bajo carbono por método gráfico a la reivindicación 1 y 2 caracterizado por controlar el tiempo de interpaso inferior a
20 s.
4. Método de predicción del grano ferrítico final de aceros laminados en caliente según reivindicaciones 1 a 3 caracterizado por el control del tamaño del grano por debajo de 5 \mum.
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