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Metalurgia
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INFLUENCIA DEL ENVEJECIMIENTO A ELEVADAS TEMPERATURAS SOBRE LA ALEACION HP MODIFICADA Y SUS EFECTOS SOBRE SUS
PROPIEDADES MECANICAS
Aldo Garófoli *1, Cesar Lanz 1, Matías Sosa 1 y Alberto Picasso 1,2
*1 Laboratorio de Metalurgia y Tecnología Mecánica – Universidad Nacional del Sur Av. Alem 1253 – Bahía Blanca, Buenos Aires, Argentina
correo-e: garofoli@uns.edu.ar 2 Comisión de Investigaciones Científicas de la Provincia de Buenos Aires, Argentina
RESUMENAl analizar los cambios en la microestructura, de un acero inoxidable austenítico (serie HP) modificado con Nb, sometido a un proceso de envejecimiento a temperaturas entre 1023 y 1223K a distintos tiempos, se observó una disminución en la. Estos cambios, fueron analizados y presumiblemente, se sospecha que los mismos fueron originados por un proceso de coalescencia en los carburos secundarios, responsables del incremento en la dureza. El objetivo de este trabajo fue, determinar el comportamiento del material bajo condiciones de tracción para una misma temperatura y diferentes tiempos de envejecimiento, consistente con el comportamiento observado en la curva de dureza. Se determinó, la tensión de fluencia, la tensión máxima y la ductilidad del material en muestras de ensayo. Nuestros resultados son analizados y discutidos en función de aquellos obtenidos por otros autores, para estudios similares.
Palabras claves: acero austenítico, ensayos mecánicos, cambios en la ductilidad.
1. INTRODUCCIÓN
Las aleaciones colables de base hierro son utilizadas ampliamente en la industria petroquímica,
especialmente bajo extensos tiempos de exposición en el rango de temperaturas entre 1123 y
1423K. La moderada resistencia mecánica a altas temperaturas no es el único requerimiento, sino
que también se necesita de una buena resistencia a la degradación superficial a altas
temperaturas; tal como, oxidación en caliente, corrosión y una buena resistencia a la fatiga térmica.
La mayoría de las aleaciones en este sistema Fe-Ni-Cr contienen Cr por encima del 15% para
mejorar su resistencia a la degradación superficial a altas temperaturas y Ni en alrededor de un
25% para estabilizar la estructura austenítica con buena resistencia a altas temperaturas. La
aleación HP modificado con Nb es producida en la forma de tubos colados por centrifugación y es,
principalmente, utilizada en la industria petroquímica en hornos reformadores y de pirólisis. La
microestructura deseada puede ser modificada mediante tratamientos térmicos, a través de
modificaciones en los procesos de precipitación de carburos primarios y secundarios bajo
condiciones de envejecimiento. Un número importante de estudios han sido realizados para
evaluar los cambios de fase durante los procesos de tratamiento térmico y la influencia de la
microestructura sobre la resistencia mecánica, ya sea a temperatura ambiente como a altas
temperaturas [1-4]. La producción de tubos utilizando la técnica de colado por centrifugación
mejora la resistencia al creep a través de modificaciones en la morfología de la microestructura y la
presencia de fases más estables durante su extensa exposición a altas temperaturas. Las redes de
carburos eutécticos primarios, parece tener un importante rol en la resistencia al deslizamiento de
bordes de grano. La precipitación secundaria de carburos de Cr finos de forma cuboidal deberían
actuar como barreras al movimiento de dislocaciones.
En este trabajo, se presentan datos experimentales de microestructura y dureza Vickers de
muestras envejecidas a varias temperaturas entre 1023 y 1223K, y de tracción a temperatura
ambiente para muestras envejecidas a 1023K.
2. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
Se emplearon muestras que fueron extraídas por corte de tubos de 110 mm de diámetro medio y
11 mm de espesor de pared. Se determinó la composición química del material, cuyos resultados
se muestran en la Tabla 1.
Tabla 1. Composición química nominal (% en peso).
Material C Si Mn Cr Ni Nb Fe Otros
HP modificado 0,6 1,8 2 25 35 1,34 Bal. Mo
Los tratamientos térmicos de envejecimiento, tanto de muestras para análisis microestructural
como para ensayos de tracción, fueron realizados en hornos resistivos al aire; para luego extraer
las muestras a diferentes períodos de tiempo y finalmente enfriarlas al aire. Para revelar la
microestructura de las mismas, se realizó un pulido mecánico con papel abrasivo hasta grado 1200
seguido del pulido final con pasta de diamante de 0,3 micrones y luego, se efectuó el ataque
químico utilizando como electrolito una solución de ácido oxálico al 10% en agua, a una tensión de
3V durante 10 segundos, a temperatura ambiente. La caracterización de la microestructura, se
realizó mediante microscopía óptica (MO), haciendo uso de un microscopio marca Leica equipado
con un sistema de digitalización de imágenes. Además, se recurrió al análisis microestructural
mediante microscopía electrónica de barrido (SEM) utilizando un microscopio electrónico de barrido
marca JEOL modelo JSM 35 CF.
Para la determinación de dureza Vickers, las muestras fueron pulidas con papeles abrasivos hasta
alcanzar el grado 600. Bajo estas condiciones, se realizó la determinación utilizando un durómetro
Vickers marca OSHMA, aplicando una carga de 1 kgf durante 15 segundos.
Por otra parte, se realizaron ensayos de tracción de probetas envejecidas a 1023K, mediante el
uso de una máquina universal de ensayos marca EMIC línea DL 10000 con una capacidad de
carga de 100kN.
3. ANALISIS Y DISCUSIÓN DE LOS RESULTADOS.
3.1 Microestructura as cast
En la Figura 1a, puede observarse la microestructura de tipo dendrítico de la aleación en la
condición as-cast obtenida mediante microscopía óptica. Se observan carburos eutécticos
primarios, ricos en Cr, con una morfología tipo esquelética, como así también, los carburos
eutécticos primarios ricos en Nb con forma romboidal y angulosa. Estos carburos se encuentran en
los bordes interdendríticos y de grano.
Figura 1 a) Microestructura dendrítica as-cast obtenida mediante: a) microscopía óptica (500X), y b) SEM
(4000X), en la que se distinguen carburos más oscuros ricos en Cr (A) y más brillantes ricos en Nb (B)
En la Figura 1b, se muestra la microestructura de la aleación en la condición as-cast, observada
mediante SEM y en la que se distinguen dos tipos de carburos. Utilizando la técnica EDAX, pudo
determinarse el espectro de composición de los mismos, resultando que los carburos más oscuros
son ricos en Cr, y los más claros son ricos en Nb.
A continuación, en la Figura 2, pueden apreciarse los espectros EDAX correspondientes a los
carburos oscuros y brillantes, observados en la Figura 2.
Figura 2 Espectros EDAX correspondientes a los carburos oscuros A (ricos en Cr) y brillantes B (ricos en Nb)
A
B
a b
A B
De acuerdo con los datos presentados anteriormente, es posible conjeturar que en la condición as
cast, la aleación HP modificada con Nb presenta una microestructura dendrítica con una matriz
austenítica y carburos eutécticos primarios interdendríticos, ricos en Cr por un lado y ricos en Nb,
por el otro. Algunos autores [5-7], han podido confirmar que el compuesto rico en Nb es un carburo
del tipo MC (M= Nb); mientras que, el compuesto rico en Cr sería un carburo del tipo M7C3 (M= Cr,
Ni, Fe).
3.2 Medición de dureza Vickers
En la Figura 3, se presenta un gráfico que muestra la evolución de la dureza Vickers en función del
tiempo de envejecimiento para dos temperaturas. Se observa que, la misma evoluciona desde el
valor para la condición as cast hasta alcanzar un valor máximo y luego, disminuye
apreciablemente.
Figura 3 Dureza Vickers en función del tiempo de envejecimiento para dos temperaturas, 1023 y 1223K
Este comportamiento podría estar asociado a un fenómeno de nucleación, crecimiento y
coalescencia de partículas precipitadas. A efectos de comprender este proceso, muestras
envejecidas se observaron mediante microscopía óptica y SEM, particularmente aquellas
envejecidas a 1023K, donde es posible seguir en mayor detalle la evolución de la microestructura
pues el proceso es más lento que a temperaturas de envejecimiento superiores. El incremento en
la dureza Vickers, desde su condición as cast hasta el valor máximo, posiblemente sea debido a la
precipitación de carburos secundarios en la matriz.
En la Figura 4a, se aprecia la microestructura para una muestra sub envejecida a 1023K durante
430 horas. Se encontró que, la precipitación secundaria producida durante el envejecimiento se
inicia en una región muy próxima a los precipitados primarios, aumentando su fracción en volumen
y hacia la matriz.
Figura 4 a) Microestructura sub envejecida con 430 horas de tratamiento (1000X), y b) Microestructura de
una probeta de tracción con 1200 horas de tratamiento (1000X)
Por otro lado, luego de realizado el ensayo de tracción, se extrajo una muestra de la cabeza de la
probeta envejecida por 1200 horas para el análisis con microscopía óptica, ver Figura 4b. Resulta
interesante notar la diferencia entre la morfología que presentan los carburos primarios observados
en la Figura 4a, y aquella perteneciente a los observados en la Figura 4b. En el último caso, los
carburos primarios ya no presentan una morfología típica del eutéctico, sino que engrosan su
tamaño y tienen formas irregulares. Además, se aprecia el cambio en la tonalidad, lo cual indicaría
un cambio en la composición química del mismo. Tal fenómeno, parece estar asociado a la
transformación del carburo eutéctico primario tipo MC rico en Nb, en un compuesto rico en Si. [8]
MATIAS LO PONDRIA ASI:
Se realiza un análisis por microscopía óptica del extremo tomado de una probeta envejecida
durante 1200hs que ha sido sometida a ensayo de tracción, ver Figura 4b.Es notable la diferencia
entre la morfología que presentan los carburos primarios observados en la Figura 4a y la
morfología que presentan los carburos observados en la Figura 4b.Se puede observar que los
carburos de la Figura 4b no conservan la morfología típica de los carburos primarios del eutéctico,
sino que poseen forma irregular y de mayor tamaño. El cambio en el tono de los colores de estos
carburos, puede indicar que ha habido un cambio en su composición química, fenómeno que
a b
puede estar asociado a transformación del carburo eutéctico primario tipo MC rico en Nb, en un
compuesto rico en Si. [8]
En la Figura 5, se aprecia la microestructura de una muestra envejecida 1055 horas a 750ºC.
Puede observarse la presencia de carburos finos secundarios en la región interdendrítica.
Empleando la técnica EDAX, se encontró que los precipitados formados en la matriz son ricos en
Cr. Probablemente, estos compuestos sean carburos del tipo M23C6 (M= Cr, Ni, Fe), tal como ha
sido observado por otros autores [9-11]. Pueden observarse algunos indicios que señalarían un
proceso de coalescencia; partículas muy próximas unas de otras y otras, prácticamente en pleno
proceso de coalescer. Sin embargo, es necesario realizar estudios más profundos con otras
técnicas tales como microscopía electrónica de transmisión (TEM), para asegurar la veracidad de
esta sospecha.
Figura 5 Microestructura obtenida por SEM de una muestra con 1055 horas de tratamiento a 1023K (4000X).
Espectros EDAX de los carburos primarios, se observa que son ricos en Cr.
En la Figura 6, se muestra el análisis por difracción de rayos X sobre una muestra envejecida,
donde se observan los picos característicos de compuestos ricos en niobio y en cromo. Además,
pueden apreciarse varios compuestos ricos en silicio, como se aprecia a continuación. Cabe
aclarar, que el pico más elevado presente en el análisis de difracción, corresponde a la matriz
austenítica. Se aclara, que el pico más elevado que se muestra en el análisis de difracción,
corresponde al de la matriz austenítica.
Figura 6 Difracción de rayos X de microestructura sobre envejecida (1100 horas)
En base a los resultados expuestos anteriormente, la pérdida en los valores de dureza luego de
alcanzado su valor máximo, podría estar asociada con el fenómeno de coalescencia de
precipitados de tipo M23C6 en la matriz, lo cual coincide con lo observado por otros autores [12,13].
De manera similar, para el caso del envejecimiento a 1223K, un proceso de coalescencia también
ocurriría pero a una velocidad mayor, influenciado por la difusión.
3.3 Ensayos de tracción
Por otro lado, luego de los ensayos de tracción realizados en probetas envejecidas a 1023K hasta
1200 horas, ver Figura 9, se notó que la resistencia máxima del material se mantiene
prácticamente constante a pesar de que el mismo disminuyó su dureza, tal como se ha explicado
anteriormente. Este comportamiento puede estar relacionado con la transformación de los carburos
primarios ricos en Nb en compuestos ricos en Si, coincidiendo con lo señalado por otros autores
[14-16].
Figura 9 Curvas de tracción para las tres probetas envejecidas a distintos tiempos
Agregaría curva de tracción as cast
4. CONCLUSIONES
Luego del estudio realizado sobre la aleación HP modificado con Nb, consistente tanto en la
caracterización microestructural en su condición as cast y luego del envejecimiento a 1023K, como
así también en la determinación de dureza y propiedades mecánicas para distintos tiempos de
envejecimiento; es posible arribar a una serie de conclusiones. En primer lugar, se ha observado
que la microestructura de la aleación en estado as cast, está formada por una matriz austenítica y
una red de carburos eutécticos primarios ricos en niobio del tipo MC (M=Nb), y ricos en cromo del
tipo M7C3 (M= Cr, Ni, Fe). La evolución cinética de la microestructura envejecida a 1023K y a
diferentes tiempos, muestra la precipitación de los carburos secundarios del tipo M23C6. El
fenómeno de coalescencia de los precipitados secundarios durante el sobre envejecimiento,
aparentemente es responsable de la disminución de dureza de la aleación. Sin embargo, esto no
parece provocar el empobrecimiento de las propiedades mecánicas, según muestran los resultados
obtenidos mediante ensayos de tracción, los que arrojaron que la resistencia máxima se mantiene
prácticamente constante. Además, la ductilidad disminuye apreciablemente con respecto a la
correspondiente para la condición as cast. Posiblemente, la transformación de carburos eutécticos
primarios ricos en Nb del tipo MC hacia compuestos ricos en Si, sería responsable de tal
comportamiento.
Con el objeto de analizar el comportamiento durante el servicio de la aleación HP modificado con
Nb, se ha realizado su caracterización microestructural para muestras envejecidas a 1023 °K
durante distintos períodos de tiempo y en su condición de As Cast. También se ha hecho la
determinación de sus propiedades mecánicas y producto de estos resultados es posible arribar a
una serie de conclusiones. En primer lugar, se ha observado que la microestructura de la aleación
en estado as cast, está formada por una matriz austenítica y una red de carburos eutécticos
primarios ricos en niobio del tipo MC (M=Nb), y ricos en cromo del tipo M7C3 (M= Cr, Ni, Fe). La
evolución cinética de la microestructura envejecida a 1023K y a diferentes períodos de tiempo,
muestra la precipitación de los carburos secundarios del tipo M23C6. Aparentemente el fenómeno
de coalescencia de los precipitados secundarios durante el sobre envejecimiento, es el
responsable de la disminución de dureza de la aleación. Sin embargo, dicho proceso no parecería
provocar el empobrecimiento de las propiedades mecánicas, ya que los resultados obtenidos
mediante ensayos de tracción, demuestran que la resistencia máxima se mantiene prácticamente
constante. Se confirma mediante los ensayos mecánicos que la ductilidad disminuye
apreciablemente con respecto a la correspondiente para la condición as cast. Se sospecha que la
transformación de carburos eutécticos primarios ricos en Nb del tipo MC hacia compuestos ricos en
Si, sería responsable de tal comportamiento.
5. REFERENCIAS
Las referencias tienen que tener este formato:
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Agradecimientos
Los autores de este trabajo desean agradecer a la SGCyT de la Universidad Nacional del Sur y a la Comisión de Investigaciones Científicas de la Provincia de Buenos Aires (CICPBA) por el apoyo recibido durante la realización del presente proyecto de investigación.
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