EFECTO DEL TAMAÑO DE GRANO EN LA CANTIDAD DE MARTENSITA INDUCIDA POR DEFORMACION EN ACERO

INOXIDABLE AUSTENITICO 304

T E S I SQUE PARA OBTENER EL TITULO DEINGENIERO METALURGICO

P R E S E N T A :

RAMON ARANDA RI VERA

MEXICO, D. F. JUNIO 1991

Ml CRCTARIAoe

COUCAOON MWUCA

INSTITUTO POLITECNICO NACIONALESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA QUIMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS

DIVISION DE SISTEMAS DE TITULACION

México, d , F., a 8 de Abril de 1991

Alfloi) C. Pasonte(s)i Carrera: Goneracióm

RAMON ARANDA RIVERA. I.M. 1934 1990Calle 7 No. 4.Col. Benito Juárez.Xalostoc, Ecatepec.

Mediante la presente n hace de tu conocimiento que esta Divlsiin acepta que el

C. ing. .. ,DR:. JORGE .LUIS. GONZALEZ. VELAZQUEZ.................. orientador

en el Tema de Tesis que propone(n) usted(es) desarrollar como prueba escrita en la opciónTESIS y EXAMEN ORAL INDIVIDUAL. bajo el

titulo y contenido siguientes:

■«EFECTO DEL TAMAÑO DE GRANO EN LA CANTIDAD DE MARTENSITA INDUCIDA POR DEFORMACION EN ACERO INOXIDABLE AUSTENITICO 304.»

RESUMEN.INTRODUCCION.

I.- CONSIDERACIONES TEORICAS.II.- EXPERIMENTACION.

III.- RESULTADOS.IV.- DISCUSION DE RESULTADOS.

CONCLUSIONES.REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS.

Se concede plaxo máximo de un año para presentarlo a revi;

DR. HEBERTO BAU«RI RAMIREZ.

V O C A L D i O C Í Í Ü

t"NG. HORTENSIA A. PULIDO ALFARO.

61 JEFE OE IA DIVISION DE SISTEMAS DE TITULACION

ING. HECTOR VALDES PEREZ.

El SUBDIRECTOR TECNICO

mrg.

A mis padres Ramón y V ir g in ia

p o r su c a r iñ o , apoyo y com prensión

a q u ien es debo l o que hoy soy .

A mis hermanos y cufiado

Irma, Luz, L u is y P au lin o

p or su apoyo y com prensión .

A mis t í os y prim os p o r su

ca r in o y apoyo.

A lo s p r o fe s o r e s p or •transm itirnos

sus co n o c im ie n to s y h acernos

p r o f e s io n is t a s de b e n e f i c i o para

e l pal s .

A l o s com pañeros y amigos

p o r su am istad brindada .

A tod os e l l o s agradezco y d e d ico e s t e tr a b a jo

RAMON ARANDA RIVERA

I N D I C E

- LISTA DE FIGURAS I

- LISTA DE TABLAS I I

- RESUMEN 1

- I . INTRODUCCION 3

- I I . CONSIDERACIONES TEORICAS 52 .1 . TRANSFORMACION MARTENSITICA INDUCIDA

POR DEFORMACION 52 .2 . MECANISMOS DE LA TRANSFORMACION MARTENSITICA

INDUCIDA POR DEFORMACION 92 .3 . CINETICA DE LA TRANSFORMACION MARTENSITICA

INDUCIDA POR DEFORMACION 11

- I I I . EXPERIMENTACION 203 .1 . MATERIAL 203 . 2 . EQUIPO 2 0

3 .3 . DESARROLLO EXPERIMENTAL 22

- IV. RESULTADOS 25

- V. DISCUSION DE RESULTADOS 305 .1 . EFECTO DE LA TRANSFORMACION EN LAS

PROPIEDADES TENSILES 305 .2 . CINETICA DE TRANSFORMACION 32

- VI. CONCLUSIONES 40

P A G I N A

- REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS 41

LISTA DE FIGURAS

1 Diagrama de S c h a e f f le r m ostrando la s reg ion esde e s t a b i l id a d en a ce ro s in o x id a b le s en fu n c ió n de e l co n te n id o de Cr y N i.(R e f . 1 ) .

2 R ep resen tación esqu em ática de l o s d i fe r e n t e sregím enes de la tra n s fo rm a ció n m a rten 3 Ítica in d u cida m ecánicam ente.

3 Geometrl a y d im ensiones de la s p ro b e ta s dete n s ió n .

4 D ifractogram a o b te n id o con un tamaño de granode 65 uxa a d i f e r e n t e s d e form acion es .

5 G r á fic a de la f r a c c ió n volumen de m a rten sitaen fu n c ió n de la d e form ación r e a l o b te n id a expe­rim entalm ente para e l a ce ro in o x id a b le austen l - t i c o 304 a tem peratura am biente.

6 A sp ecto de la m icro e s tru c tu ra en una m uestra ad ife r e n t e s d e fo rm a c ion es . a ) « = 0 .020 , b )e =0.079 c ) * =0 .376. Tamaño de grano de 65 um.

7 G rá fica e s fu e r z o de ce d e n c ia co n tra deform ación .8 G rá fica de la f r a c c ió n transform ada expresada

como VFM/(1-VFM) co n tr a la de form ación r e a l de acuerdo a l m odelo de A ngel.

9 G ra fica de la f r a c c ió n transform ada expresadacomo VFM co n tra la d e form ación r e a l de acuerdoa l m odelo de C o rté s , e t . a l .

10 F ra cc ió n volumen de m arten sita co n tradeform ación r e a l para d ife r e n t e s tamaños de grano de acuerdo a l m odelo de O lson-C ohen.

FIGURA N o . LEYENDA

8

12

21

27

28

29

3134

36

39

PAG

I

L I S T A D E T A B L A S

I . - C o m p o s i c i ó n q u í m i c a d e a c e r o i n o x i d a b l e A I S I 3 0 4 . 2 0

I I . - P a r á m e t r o s d e t r a b a j o e m p l e a d o s . 2 4

I I I . - R e s u l t a d o s d e p r u e b a s d e t e n s i ó n . 2 5

T A B L A No. L E Y E N D A P A G .

II

R E S U M E N

E l o b je t i v o d e l p re se n te t r a b a jo fu é e s tu d ia r e l e f e c t o que t ie n e e l tamaf¡o de grano en la tra n s fo rm a c ió n m a r te n s it ic a in d u cid a p or deform ación en e l a ce ro in o x id a b le a u s t e n lt ic o 304. E ste a sp e c to no se habí a to ca d o en ningún o t r o e s tu d io exp erim en ta l p or suponerse que no era im portan te . La im portan cia que t ie n e la tra n s fo rm a c ió n m artensl t i c a in d u cid a p or d e form ación en e l com portam iento m ecánico d e l a cero in o x id a b le re q u ie r e un e s tu d io de e s te parám etro.

Para r e a l iz a r l o a n t e r io r se l l e v ó a cabo un tra ta m ie n to té rm ico para te n e r d i f e r e n t e s tamafios de grano para p o ste r io rm e n te in d u c ir la form a ción de m a rten sita p or en sayos de te n s ió n in terru m p id os . Se p ro ce d ió ensegu ida a la c u a n t i f i c a c ió n de m a rten sita p or medio de d i f r a c c ió n de Rayos X h acien d o uso d e l método de com paración d ir e c t a .

Con l o s re s u lta d o s o b te n id o s y de l o s m odelos p rop u estos p o r o t r o s in v e s t ig a d o re s para la c in é t i c a de tra n s fo rm a c ió n , se r e a l iz ó una com paración para saber s i e l l o s in v o lu cra n e l e f e c t o que t ie n e e l tamafio de gran o. De lo s m odelos e s tu d ia d o s , e l de O lson-C ohen es e l ú n ico que sí co n s id e ra e s te e f e c t o e x p líc ita m e n te , m ientras que en lo s deitós s ó lo se puede in v o lu c ra r en co n sta n te s e x p erim en ta les .

En e s te e s tu d io se en con tró que e l e f e c t o d e l tamaño de grano en la c in é t i c a de tra n sform a ción m a r te n s it ic a in d u cid a p or d e form ación es más fu e r t e de l o que suponen la mayorí a de l o s in v e s t ig a d o r e s , por l o que e l tamafto de grano debe in c lu i r s e en la s e cu a cio n e s de c in é t i c a de tra n sform a ción m artensl t i c a in d u cid a p or deform ación .

1

S e e n c o n t r ó q u e la c i n é t i c a de tra n s form a c ión martensl t i c a se v e f a v o r e c i d a p or la p r e s e n c i a d e u n tamaF.o de grano grande. E s t o se podrj a e x p l i c a r a l s u p o n e r q u e c o n u n t a m a ñ o de grano g r a n d e 56 i n d u c e u n a m a y o r f o r m a c i ó n d e m a r t e n s i t a a l e x i s t i r m á s n ú c l e o s q u e a u m e n t a n la c a p a c i d a d a u t o c a t a l í t i c a de la

r ea cción.

2

I. I N T R O D U C C I O N

La tra n s fo rm a c ió n m a rte n s it ica in d u cid a p or deform ación en aceros in ox id a b les austení t i c o s es un fenómeno b ie n co n o c id o que se ha e s tu d ia d o extensam ente ya que a fe c t a e l com portam iento durante e l con form ado, la d u c t i l id a d y la r e s is t e n c ia a la f r a c tu r a .

Se sabe que la form ación de m a rten sita in d u cid a p o r de form ación en a ce ro s in o x id a b le s a u s t e n lt ic o s e s tá a fe c ta d a p o r : a) la d e form ación , s ien d o la f r a c c ió n en volumen dem a rten sita transform ada p ro p o r c io n a l a la can tida d de deform ación p lá s t i c a ; b ) p or la tem peratura , e x is t ie n d o un aumento en la ca n tid a d de tra n s fo rm a ció n inducida p o r deform ación a menores tem peraturas; y c ) por la com p os ic ión qu ím ica , ya que é s t a determ ina la in e s t a b i l id a d d e l a ce ro , de acuerdo a l diagram a de S ch a e ffle r .

P or o t r a p a r te , e s tu d io s de la tra n s fo rm a c ió n m a rte n s it ic a a térm ica in d ica n que e l tamaño de grano t ie n e una in f lu e n c ia n o ta b le en la ca n tid a d de m a rten sita form ada.

El e f e c t o d e l tamaño de grano en la tra n s fo rm a ción m a rte n s it ic a in d u cid a p or de form ación en l o s aceros in o x id a b le s , es un a sp e cto que no se ha contem plado experim entalm ente h a sta e l momento en ningún e s tu d io , ya que se ha co n s id e ra d o de poca in f lu e n c ia .

E l e s tu d io d e l e f e c t o d e l tamaño de grano en la tra n sform a ción m a rte n s it ica in d u cid a es im portan te porque é s t e puede a fe c t a r la ca n tid a d de m a rten sita in d u cid a p or deform ación y que a su vez a fe c ta la s p rop ied ad es m ecánicas que p resen ta e l m a ter ia l después de la tra n sform a ción .

3

En e l p re se n te e s tu d io ae r e a l iz a r o n pruebas de te n s ió n interrum pidas en una lám ina de a ce ro in o x id a b le austenl t i c o 304 con d i f e r e n t e s tamaños de grano para e s tu d ia r la in f lu e n c ia que t ie n e e l tamaño de grano en la tra n s fo rm a c ió n in d u cid a p or d e form ación , a s i como en la s p rop ied ad es d e l m a te r ia l . Además de e s tu d ia r l o s m odelos que e x p lic a n la c i n é t i c a de tra n s fo rm a c ió n en donde se in v o lu c r e e l tamafto de grano.

4

II. C O N S I D E R A C I O N E S T E O R I C A S

2 . 1 . TRANSFORMACION MARTENSITICA INDUCIDA POR DEFORMACION.'

Se sabe que la tra n s form a c ión m artensl t i c a en a le a c io n e s base h ie r r o puede o c u r r i r en dos maneras*1’ :

1) Por una tra n s fo rm a c ió n expontánea p rod u cida por e l e n fr ia m ie n to b ru sco de una fa s e austen í t ic a , para p ro d u c ir m a rten s ita . La tem peratura máxima de i n i c i o de la r e a c c ió n m a rte n s it ic a se con oce como Ms. La ca n tid a d de m a rten sita depende únicam ente de la tem peratura, pudiendo s e r hasta 100% d eb a jo de la tem peratura Mf. E sta r e a c c ió n e s tá b ien documentada para un gran número de s istem as*4 J , te n ie n d o en cu en ta co m p os ic ión qu ím ica , tem peratura , v e lo c id a d de e n fr ia m ie n to , e t c .

2) S in embargo, e x i s t e o tra manera de o b ten er m a rten s ita . Para c i e r t o rango de com p os ic ion es la tra n s fo rm a c ió n puede s e r in d u cid a p o r d e form ación p lá s t i c a en un in t e r v a lo de tem peratura cerca n a a Ms co n o c id a como Md, que e s tó a a lt a que M3 . La tem peratura Md es d e f in id a como la tem peratura máxima a la cu a l la tra n s fo rm a c ió n m artensl t i c a puede s e r in d u cid a por d e form ación , a n tes de la form ación d e l c u e l l o en ensayos de te n s ió n * 5

Las c a r a c t e r í s t i c a s g en era les de la tra n s form a c ión m a rte n s it ic a son la s s ig u ie n t e s 'a> :

a) G eneración de im p e r fe c c io n e s .

b ) M ovim iento c o o p e r a t iv o de la red .c ) E x is te una r e la c ió n c r i s t a l o g r á f i c a d e fin id a e n tre la

fa s e m a triz y la m arten sita form ada.

5

Para que la tra n s fo rm a c ió n m artensí t i c a in d u cid a p or de form ación se produzca en a c e r o s , se deben cu m plir la s s ig u ie n te s c o n d ic io n e s '4 ’ :

1 . - La m a triz a u s t e n ít ic a debe s e r m eta esta b le en b a se a su com p os ic ión quí m ic a '7 E sta fa s e m eta esta b le generalm ente se o b t ie n e p or e n fr ia m ie n to rá p id o . Por l o que la s d e form acion es a p lic a d a s promueven la tra n s fo rm a ció n h a c ia un p rod u cto más e s t a b le , en e s te ca so m a rten s ita .

2 . - Deben e x i s t i r s i t i o s en ergéticam en te fa v o r a b le s para que la n u c le a c ió n pueda e fe c t u a r s e .

3 .~ La en e rg ía l i b r e d e l s istem a debe d e c r e c e r duran te la tra s fo rm a c ió n .

Se puede co n s id e r a r que la tra n s ío rm a c ión m artensí t i c aocu rre instantáneam ente en s i t i o s dados, ya que la form a ción de c r i s t a l e s de m a rten s ita puede o c u r r i r en a lr e d e d o r de 3x10 7 segundos.

La deform ación p lá s t i c a de la a u s te n ita in te r v ie n e en la la form a ción de m a rten sita p rim ord ia lm ente a l aumentar I 0 3 tamaños de la s bandas de d eform ación y h a cer más f á c i l l a n u c le a c ió n dela m a rte n s ita . Como re s u lta d o , la m a rten s ita se puede form arcuando e l a ce ro es deform ado p lá s t ica m e n te a tem peraturas p o r a r r ib a de la tem peratura Ms. Sin embargo, la ca n tid a d de m a rten s ita formada en e3 ta form a dism inuye según se e le v a la tem peratura , h asta l l e g a r a la tem peratura Mda>.

En e l ca so p a r t ic u la r de l o s a ce ro s in o x id a b le s austen í t i c o s t ip o 304, de a cu erdo a l diagrama de S c h a e f f le r ( f i g . 1 ) , son m eta esta b les y la d e form ación p lá s t ic a puedein d u c ir la tra n sform a ción m a r te n s it ic a . El diagrama de S c h a f f le r m uestra la s re g io n e s de e s t a b i l id a d en l o s a ce ro s in o x id a b le s de acuerdo a l co n te n id o de cromo y n íq u e l e q u iv a le n te s . En la misma f ig u r a 3e m uestra donde se l o c a l i z a e l a ce ro in o x id a b le 304.

La m a rten sita in d u cid a por d e form ación e3 dura y fu e r t e y e s to aumenta la r e la c ió n t r a b a jo -e n d u r e c im ie n to , l o cu a l p erm ite a l a ce ro s e r deform ado a grandes e s fu e r z o s an tes de que la I n e s ta b i lid a d p lá s t ic a o c u r r a '71 . E sto m ejora la ten a cid a d y la r e s is t e n c ia a la p rop agación de g r ie t a s . También se ha en con trad o una m ejora de la d u c t i l id a d , l o que se ha aprovechado en lo s a ce ro s TRIP (T ra n sform ation -In d u ced P l a s t i c i t y ) ' 51 .

6

P or o t r a p a r te , in v e s t ig a c io n e s en e l á rea de M ecánica de F ractu ra y F a tig a han dem ostrado que la tra n s form a c ión in d u cid a p o r d e íorm ación t i e n e a sp e cto s b e n é f i c o s , p r in c ip a lm en te d eb id o a l aumento en la e n e r g í a n e ce s a r ia para l a p rop agación de g r i e t a s *8 ' 9> .

A tem peraturas p o r d eb a jo de la tem peratura Md, la en erg í a l i b r e de la fa s e m a rte n s it ic a es más b a ja que la de la fa s e a u s t e n ít ic a . La n u c le a c ió n de la fa s e m a r te n s it ic a e s tá in h ib id a p r in c ip a lm e n te d eb id o a la gran energí a de d e form ación a so c ia d a con e l cam bio de form a, e l cu a l s e p rod u ce cuando se forma una p la ca de m a rte n s ita . La fu n c ió n d e l e s fu e r z o a p lic a d o que produ ce la d e form ación es la de r e d u c ir de alguna manera la b a rre ra de n u c le a c ió n que r e s u lt a d e l cam bio de form a, y de a h í , p e rm it ir que se form e la m a rten s ita a una fu e rz a im pulsora más b a ja que la que d e b e r ía s e r en a u sen cia de la d e form ación . Puesto que hay una d eform ación en c o r t e y una deform ación en te n s ió n d i s t in t iv a s a so c ia d a s con la fo rm a ció n de cada p la c a de m a rte n s ita , p a rece l ó g i c o que la de form ación p lá s t i c a p rod u cid a p or e l e s fu e r z o a p lic a d o g en era r ía muchas re g io n e s en e l a c e r o en la s c u a le s e l cam bio de fa s e s e r ía a s i s t id o m ecánicam ente y p or l o ta n to , la b a rre ra de n u c le a c ió n se r e d u c ir ! a*10 ’ .

?

Ni eq

uiva

lent

e =

%Ni

* 30

x%c

+ 0.

5x%

Mn

Cr e q u iv a le n t e = %Cr + %Mo + 1 .5 x % S i + 0 .5x%Cb

F ig . 1 . - Diagrama d e S c h a e f f l e r m o s t r a n d o l a s r e g i o n e s d e e s t a b i l i d a d e n a c e r o s i n o x i d a b l e s e n f u n c i ó n d e c o n t e n i d o d e C r . y N i . ( R e f . 1 ) .

8

2.2. M E C A N I S M O S D E L A T R A N S F O R M A C I O N M A R T E N S I T I C A

I N D U C I D A P O R D E F O R M A C I O N .

L a t r a n s f o r m a c i ó n m a r t e n s l t i c a * 10> e s un p r o c e s o d e

n u c l e a c i ó n d e e m b r i o n e s co m o p u n t o d e i n i c i o p a r a l a

t r a n s f o r m a c i ó n . E s t o p u e d e s e r d e s c r i t o c o m o u n a t r a n s f o r m a c i ó n

c a r a c t e r i z a d a p o r u n c o r t e h o m o g é n e o d e l a r e d d e a u s t e n i t a a l o

l a r g o d e u n p l a n o i n v a r i a n t e ( p l a n o h a b i t u a l ) y u n a d i l a t a c i ó n .

A n g e l * 4> s u g i e r e q u e l a s d i s l o c a c i o n e s h e l i c o i d a l e s

c o n s t i t u y e n n ú c l e o s p a r a l a f o r m a c i ó n d e m a r t e n s i t a y a q u e s o n

s i t i o s d e a l t a e n e r g í a , p o r l o q u e c o n u n a d e f o r m a c i ó n c o n t i n u a

a u m e n ta e l n ú m e ro d e e l l a s , p r o m o v ie n d o l a f o r m a c i ó n d e n ú c l e o s

p a r a q u e o c u r r a l a t r a n s f o r m a c i ó n . E s t o f u e c o m p r o b a d o mas t a r d e

p o r K r i s e m e n t e n u n e s t u d i o t e ó r i c o s o b r e l a r e l a c i ó n e n t r e l a

r e d d e m a r t e n i t a c o n e l p l a n o ( 2 2 5 ) d e l a a u s t e n i t a . Como

r e s u l t a d o d e d i s l o c a c i o n e s q u e e x i s t e n e n u n a e s t r u c t u r a

a u s t e n í t i c a b i e n r e c o c i d a , e x i s t e n m u ch o s e m b r i o n e s p r e s e n t e s ,

s u f i c i e n t e s p a r a q u e o c u r r a l a r e a c c i ó n . E l f a c t o r c o n t r o l a n t e

p a r a l a c i n é t i c a d e t r a n s f o r m a c i ó n p o r c o n s i g u i e n t e , n o e s l a v e l o c i d a d d e n u c l e a c i ó n , s i n o l a e n e r g í a l i b r e n e c e s a r i a .

P o r o t r a p a r t e , C o h é n * 111 r e c o n o c e l a s i n t e r s e c c i o n e s d e l a s b a n d a s d e c o r t e e n a u s t e n i t a m e t a e s t a b l e c o m o s i t i o s

e f e c t i v o s p a r a l a n u c l e a c i ó n d e m a r t e n s i t a i n d u c i d a p o r

d e f o r m a c i ó n . De a c u e r d o c o n é l , l a s b a n d a s d e c o r t e p u e d e n e s t a r

p r e s e n t e s e n l a f o r m a d e m a r t e n s i t a e p s i l o n ( h c p ) , m a c l a s o

e m p a q u e t a m ie n t o d e n s o d e f a l l a s d e a p i l a m i e n t o , t o d a s p r o m o v id a s

p o r u n a b a j a e n e r g í a d e f a l l a s d e a p i l a m i e n t o e n l a a u s t e n i t a .

E l a p o r t e d e e n e r g í a a l s i s t e m a d e b e s e r l o b a s t a n t e g r a n d e

p a r a p r o p o r c i o n a r l a c a n t i d a d d e a c t i v a c i ó n n e c e s a r i a p a r a p a s a r

l a b a r r e r a e n e r g é t i c a e n t r e l o s e s t a d o s a u s t e n í t i c o y

m a r t e n s l t i c o y t a m b ié n p a r a s u m i n i s t r a r l a e n e r g í a s u p e r f i c i a l y

e n e r g í a r e q u e r i d a p a r a d e f o r m a r e l á s t i c a m e n t e l a m a t r i z . D e b i d o

a e s t o s o b s t á c u l o s d e l a r e a c c i ó n , l a m a r t e n s i t a n o s e f o r m a

e x p o n t á n e a m e n t e a l a t e m p e r a t u r a d e e q u i l i b r i o t e r m o d i n á m i c o TE ,

e x c e p t o s o l a m e n t e d e s p u é s d e c i e r t o s u b - e n f r i a m i e n t o , u s u a lm e n t e

a l r e d e d o r d e 2 0 0 ~ 3 0 0 °C y q u e c o r r e s p o n d e a un c a m b io d e e n e r g í a

l i b r e d e a l r e d o r d e 2 0 0 -4 0 0 c a l / m o l .

9

Cohén*111 s u g ir ió un v a lo r c r í t i c o de I 0 3 e s fu e ra o s de c o r t e a l o la r g o de un p lan o h a b itu a l p o t e n c ia l como un c r i t e r i o para la form a ción de m a rten sita in d u cid a por d e form ación . A s i

mismo, tam bién p la n te ó que no solam ente l o s e s fu e r z o s de c o r t e son im portan tes , s in o que tam bién lo s e s fu e r z o s norm ales. D e m o s t r ó experim entalm ente la in f lu e n c ia de l o s e s fu e r z o s norm ales, form ulando un c r i t e r i o term odinám ico para la form a ción d e m a rten s ita , tomando en co n s id e r a c ió n l a c o n tr ib u c ió n d e

e n e r g í a m ecánica la cu a l produ ce d e form ación para l a energí a l i b r e de la r e a c c ió n . L a tra n sform a ción es ayudada p or e s fu e r z o s , s in embargo puede s e r a y u d a d a o d eten id a p or l a

componente d e l e s fu e r z o norm al, dependiendo ya 3ea que é s t e sea de te n s ió n o de com presión . E s t e c r i t e r i o e x p l i c a la in f lu e n c ia de e s fu e r z o s e l á s t i c o s sobre M s.

10

2 . 3 . CINETICA DE LA TRANSFORMACION MARTENSITICA INDUCIDA PORDEFORMACION.

V a r i o s a u t o r e s d i s t i n g u e n e n t r e la n u c l e a c i ó n a s i s t i d a p o r

e s f u e r z o s e i n d u c i d a p o r de f o r m a c i ó n , d e f i n i e n d o la p r i m e r a c o m o

n u c l e a c i ó n d e a l g u n o s s i t i o s los c u a l e s p r o m u e v e n la

t r a n s f o r m a c i ó n e x p o n t á n e a co n e n f r i a m i e n t o p e r o a y u d a d a p o r e l

e f e c t o t e r m o d i n á m i c o de un e s f u e r z o a pli ca do , m i e n t r a s q u e l a

n u c l e a c i ó n i n d u c i d a p o r d e f o r m a c i ó n i n v o l u c r a la f o r m a c i ó n d e

n u e v o s s i t i o 3 de n u c l e a c i ó n p o r d e f o r m a c i ó n plástica.

L a d e f o r m a c i ó n p u e d e a f e c t a r la c i n é t i c a de la

t r a n s f o r m a c i ó n m artensl t i c a p o r la g e n e r a c i ó n de n u e v o s d e f e c t o s

d u r a n t e la d e f o r m a c i ó n pl ás t i c a . E s t a s i n t e r a c c i o n e s e s t á n

r e p r e s e n t a d a s e n la f i g u r a 2, e n d o n d e a p a r e c e n los d os t i p o s de

t r a n s f o r m a c i ó n : a s i s t i d a p o r e s f u e r z o s e i n d u c i d a p o r

de f o r m a c i ó n . A b a j o de la t e m p e r a t u r a M^s, el e s f u e r z o de

c e d e n c i a es c o n t r o l a d o p o r t r a n s f o r m a c i ó n pl ástica, y a r r i b a d e

t f s e s c o n t r o l a d o p o r d e s l i z a m i e n t o en la f a s e matriz. L a

t e m p e r a t u r a vf s d e f i n e un l í m i t e e n t r e los r e g í m e n e s de

t e m p e r a t u r a e n d o n d e los dos m o d o s d e t r a n s f o r m a c i ó n do minan.

D e b i d o a la i n t e r a c c i ó n e n t r e los e s f u e r z o s t r i a x i a l e s y al

c a m b i o d e v o l u m e n d u r a n t e la t r a n s f o r m a c i ó n , las t e m p e r a t u r a s

M ^ s y M d d e p e n d a n del e s t a d o de e s f u e r z o s * 12 *.

11

Esf

ue

rzo

F ig . 2 . - R ep resen ta c ión esquem ática de l o s d i f e r e n t e sregím enes de la tra n s form a ción m a r te n s it ic a in d u cida m ecánicam ente. Md es la tem peratura d eI n i c i o de l a tra n s fo rm a ció n in d u cid a p o r d eform a ción , n a es la tem peratura d e b a jo de l a cu a l l a ce d e n c ia in i c i a d eb id o a la tra n sform a ción y a r r ib a de la cu a l l a ce d e n c ia i n i c i a p or d e s liz a m ie n to (R e f . 1 1 ) .

\Z

S e . h a n p r o p u e s t o r e l a c i o n e s e m p í r i c a s p a r a la f r a c c i ó n

v o l u m e n d e m a r t e n s i t a c o n t r a d e f o r m a c i ó n pl ás ti ca, p e r o se

n e c e s i t a a ú n u n a b a s e t e ó r i c a firme. U n a i n v e s t i g a c i ó n

m a r t e n s i t i c a i n d u c i d a p o r d e f o r m a c i ó n del a c e r o i n o x i d a b l e 304

m u e s t r a q u e la c u r v a de t r a n s f o r m a c i ó n (% m a r t e n s i t a c o m o

f u n c i ó n de la d e f o r m a c i ó n p l á s t i c a a t e m p e r a t u r a c o n s t a n t e )

t i e n e u n a f o r m a s i g m o i d a l , g e n e r a l m e n t e c o n u na t r a n s f o r m a c i ó n

f i n a l m e n o r del 100%. A n g e l p r o p o n e u n a e x p r e s i ó n e m p í r i c a

a c o r d e c o n la curva, p e r o n o c u m p l e c o n la t r a n s f o r m a c i ó n

a l r e d e d o r d el 1 0 0 % ( e c u a c i ó n 1). P o r o t r a parte, G e r b e r i c h

o b t u v o u n a r e l a c i ó n p a r a b ó l i c a c o r r e s p o n d i e n t e c o n los d a t o s

o b t e n i d o s c o n a c e r o s TRIP, S i n emba rg o, la d i f e r e n c i a en t r e la s

f o r m a s s i g m o i d a l y p a r a b ó l i c a o c u r r e a d e f o r m a c i o n e s

r e l a t i v a m e n t e p e q u e r a s , p o r lo qu e e s t e e s t u d i o p u e d e s e r

e q u i v o c o e n el c a s o d e a c e r o s T R I P d e b i d o a q ue o c u r r e u n a

d e f o r m a c i ó n i n i c i a l h e t e r ó g e n e a ( f o r m a c i ó n d e b a n d a s d e Lude rs ).

M e d i c i o n e s r e a l i z a d a s en a c e r o s e n I03 c u a l e s la d e f o r m a c i ó n

a p a r e c e h o m o g é n e a m e n t e si a p o y a n l a f o r m a s i g m o i d a l .

L o s p r i n c i p a l e s m o d e l o s q u e r e l a c i o n a r o n la c i n é t i c a d e

n u c l e a c i ó n s on los s i g ui en te s :

a ) M o d e l o de A n g e l <4> :

E s t e m o d e l o es del t i p o l o g - a u t o c a t a l í t i c o p a r a la

t r a n s f o r m a c i ó n i s o t é r m i c a de a u s t e n i t a , c o n s u b s t i t u c i ó n d el

t i e m p o p o r la d e f o r ma ci ón :

d e s a r r o l l a d a p o r A n g e l a c e r c a d e la t r a n s f o r m a c i ó n

n Ln* + k ( 1 )

13

E n d o n d e :

%fVFM = ------ ( f r a c c i ó n transform ada)

%fT

- n y k . - Son co n s ta n te s .- k . - Depende de la com p oición quím ica y tem peratura.

n . - Es in d ep en d ien te de la com p o s ic ió n quím ica y tem peratura.

- n . - Es la d e form ación r e a l .- % í . - Es e l p o r c ie n to de m a rten sita form ada.- %í t . ~ Es la ca n tid a d l im it e máxima de m a rten s ita formada a

la tem peratura Md.

Cuando la s curva3 exp erim en ta les o b te n id a s p or Angel son g r a fic a d a s en e s c a la l o g / l o g , se o b t ie n e una s e r i e de l ín e a s re c ta s p a r a le la s , s ien d o la p en d ien te n aproximadamente 3 , l o que in d ic a que e s ta co n s ta n te es in d ep en d ien te de la com p os ic ión quím ica y la tem peratura . S in embargo, la co n s ta n te k si v a r ia con lo s f a c t o r e s a n t e r io r e s .

La v e lo c id a d de r e a c c ió n dM/d*, es c e r o a l i n i c i o y se increm enta gradualm ente a un máximo después de una c o n s id e r a b le d e form ación . Después de e s to la v e lo c id a d d e c r e ce h asta que la tra n sform a ción o cu rre p or sob red e form a c ión , a lcan zán d ose un v a lo r l im it e para e l co n te n id o de m a rten sita que e s f r . E ste v a lo r es menor a la tem peratura más a lta y es c e r o a rr ib a de la tem peratura Md.

La d ism in u ción de la v e lo c id a d de r e a c c ió n depende d e l e f e c t o e s t a b i l i z a n t e de la deform ación r e a l sob re la a u s te n ita o d e l decrem ento de a u s te n ita d is p o n ib le para la tra n s fo rm a c ió n . Es b ien c la r o que e l e f e c t o e s t a b i l i z a n t e e s o p e r a t iv o ta n to en

ia s etapas I n i c i a l e s de la tra n s fo rm a c ión como en la s f in a le s .Una cu estifin p e r t in e n te en e s te m odelo es s i e l f a c t o r

gobernante en la tra n sform a ción in d u cid a p or de form ación es la form ación de nuevos n ú cleos o la a c c ió n de la misma d e form ación .

De acu erdo con A ngel, e l f a c t o r gobern an te en la form ación de m arten sita in d u cid a por deform ación e s e l su m in istro de en e rg ía m ecánica por medio de la d e form ación .

14

b ) M o d e lo d e L u d w ig s o n y B e r g e r ' 1 3 ’ :

E l l o s e n u n c i a n q u e l a t e o r i a y l a e x p e r i m e n t a c i ó n s u g i e r e n

q u e l a f r a c c i ó n v o lu m e n d e m a r t e n s i t a (VFM ) f o r m a d a d u r a n t e l a

d e f o r m a c i ó n e s u n a f u n c i ó n c o n t i n u a d e l e s f u e r z o . P o r l o q u e l a

r e l a c i ó n t r a n s f o r m a c i ó n - d e f o r m a c i ó n e s t á d a d a p o r l a s i g u i e n t e

p r o p o r c i o n a l i d a d .

VFM o. c ( 2 )

S i n e m b a r g o , l a f o r m a c i ó n d e m a r t e n s i t a p r o d u c e d i l a t a c i ó n

y c o h e r e n c i a e n l o s l i m i t e s d e l a i n t e r f a s e . P a r a i n v o l u c r a r l a

n a t u r a l e z a a u t o c a t a l í t i c a o b s e r v a d a e n l a f o r m a c i ó n d e

m a r t e n s i t a , q u e a c e l e r a l a f o r m a c i ó n d e m a r t e n s i t a a d i c i o n a l , s e

o b t i e n e l a r e l a c i ó n a n t e r i o r m o d i f i c a d a :

VFM a * B ( 3 )

C u a n d o l a t r a n s f o r m a c i ó n i n d u c i d a p o r d e f o r m a c i ó n d e

a u s t e n i t a a m a r t e n s i t a p r o c e d e , l a f r a c c i ó n v o lu m e n d e a u s t e n i t a

(V F A ) d i s p o n i b l e p a r a t r a n s f o r m a c i ó n a d i c i o n a l e s c o n s u m id a

g r a d u a l m e n t e . P a r a c u a n t i f i c a r e s t e c o n s u m o , l a p r o p o r c i o n a l i d a d

( 3 ) e s m o d i f i c a d a c o m o s i g u e :

VFM o. * b (Y F A ) ( 4 )

L a p r o p o r c i o n a l i d a d p u e d e s e r t r a n s f o r m a d a e n u n a e c u a c i ó n

c o m o l a s i g u i e n t e :

VFM = A e” (V F A ) ( 5 )

S e t i e n e q u e l a sum a d e VFM y VFA e a l a u n i d a d , p o r l o q u e

l a e c u a c i ó n ( 5 ) p u e d e t r a n s f o r m a r s e a u n a f o r m a c o n l a c u a l VFM o VFA a p a r e c e c o m o u n a f u n c i ó n d e l a d e f o r m a c i ó n s o l a m e n t e :

VFM = ( 6 )

V F A = 1 ( 7 )

l t

E n d o n d e :

- A . - Es u n a co n s ta n te de p ro p o rc io n a lid a d .- B .- Es un e x p o n e n t e que co n s id e ra la n a tu ra leza

a u to ca ta lí t i c a de la tra n s fo rm a ción .

- n . - Es la d e form ación .

Debido a que la suma de VFM y VFA es la un idad , la e cu a c ió n (5 ) puede r e e s c r ib i r s e como s ig u e :

VFM/(1 - VFM) = AeB ( 8 )

Esta e cu a c ió n puede h a cerse l in e a l con e l empleo de la tra n sfo rm a ción lo g a r ítm ic a :

log [V F M /(l - VFM)] = logA + B log* ( 9 )

La e cu a c ió n 8 es s im ila r a la ob ten id a p or A n gel, en donde A y B corresp on den con k y n resp ectiva m en te .

Al g r a f i c a r VFM/(1 - VFM) con tra * en coordenadas lo g a r ! tm ica s , s e o b t ie n e un v a lo r de B que en prom edio es de3 .0 . E sto s u g ie r e que e l a sp e cto a u to ca ta lí t i c o de la tra n sform a ción in d u cid a p or deform ación no e s s e n s ib le a la com p osic ión qu ím ica . La e cu a c ió n (10 ) queda como s ig u e :

VFM/(1 - VFM) = Atfa ( 10 )

S in embargo, e s ta ecu a ción no puede co n s id e r a r s e como gen era l para to d o s lo s a c e r o s .

16

c ) Modelo de C orta s , e t a l <14>:En e s t e m odelo lo a a u to re s tomaron como base e l m odelo de

Ludwigson y B erger y determ inaron lo s v a lo r e s de A y B.En e l m odelo de Ludwigson y B erger A depende de la

tem peratura, para co n s id e r a r e s te e f e c t o e l l o s proponen la s ig u ie n te r e la c ió n :

A = * c 'B

En donde:- * = .- Ea una deform ación c a r a c t e r í s t i c a c a r a c t e r í s t i c a en la

cu a l e l 50% d e l volumen t o t a l tran sform a a m a rten s ita p or d eform ación is o té r m ica . Con e s ta c o n s id e r a c ió n la e cu a c ió n de Ludwigson y B erger pueda s e r r e e s c r i t a como s ig u e :

™ = ( 1 * ( - f e ) * ] < 11 >

Empleando e l v a lo r de B= 2 .46 o b te n id o p or C ortea , e t a l , la deform ación c a r a c te r l s t i c a s e es ca lcu la d a como un v a lo r prom edio para cada tem peratu ra , p or lo que la dependencia de ladeform ación con tra la tem peratura para e l a ce ro in o x id a b le 304se puede ex p resa r de la s ig u ie n te manera:

c e = 0 .2 3 x 1 0 ® E x p [ ° . - 3 ^ 6 x l ° j ( 12 )

e s ta e cu a c ió n es v á l id a para e l s ig u ie n te rango de tem peratura ( 273°K < T <• 373°K)

d ) Modelo de GuimarSes*19>:Un e s tu d io a lt e r n a t iv o fu e p rop u esto p or Guimar2es que tomó

como base e l tra ta m ien to dado p or Mage a la c in é t i c a de tra n s form a ción is o té r m ica . En e s te m odelo la curva de tra n sform a ción m a rte n s it ic a in d u cid a p o r d e form ación e s ta dada p or la e cu a ción s ig u ie n te :

17

Ln R + VFM } = Z(R + 1 )* ( 13 )R(1 - VFM)

En donde:- R . - Ea ig u a l a l a r e la c ió n n ° i /p .donde n°i es e l número de

s i t i o s de n u c le a c ió n in ic ia lm e n te p re se n te s en la a u s te n ita y p e s un f a c t o r a u to ca ta lí t i c o .

- Z . - Es un parám etro re la c io n a d o a la p ro b a b il id a d den u c le a c ió n en un volumen medio de c r i s t a l e s de m a rten sita .

- VFM.- Es la f r a c c ió n volumen de m a rten s ita .

- « . - Es la d e form ación a p lic a d a a l m a te r ia l.

E stos a u to re s asumen que la s in t e r s e c c io n e s de la s bandas de c o r t e en a u s te n ita m eta estab le pueden s e r lo s s i t i o s fa v o r a b le s para la n u c le a c ió n m artensl t i c a in d u cid a p o r d e form ación , pud iéndose d e r iv a r una e x p re s ió n de l a f r a c c ió n volumen de m a rten sita en fu n c ió n de la de form ación p lá s t i c a , con sid eran d o e l cu rso de la form a ción de la s bandas de c o r t e , la p ro b a b ilid a d de in t e r s e c c io n e s de bandas de c o r t e y la p ro b a b ilid a d de que una in t e r s e c c ió n gen ere un em brión de m a rten s ita .

En donde:

- d . - Es e l tamafío de grano austení t i c o .a . - Es una co n s ta n te in d ep en d ien te d e l e s fu e r z o y

rep resen ta la v e lo c id a d de form a ción de bandas de c o r t e .

e ) Modelo de O lson y Cohén1111

VFM = 1 - e x p { - f » [ l ~ e x p ( - « / » ) ] n } ( 14 )

En donde:

- VFM.- Es la f r a c c ió n volumen de m a rten sita

( 15 )

k = n2 d*/16 ( 16 )

18

- P ■- Es una co n s ta n te p ro p o rc io n a l a la p ro b a b ilid a d de queuna in t e r s e c c ió n pueda form ar un em brión de m a rten s itay é s t a p r o b a b il id a d depende de la tem peratura .

- n . - E3 una co n s ta n te que depende de la v e lo c id a d ded e f o r m a c i ó n .

- V*b Es e l volumen prom edio de bandas.

- Va . - Es e l volumen prom edio de una unidad m a r te n s it ic a .- P - Es l a p r o b a b il id a d de q u e una in t e r s e c c ió n de banda de

c o r t e pueda gen erar un em brión de m a rten s ita .

n . - Es la d e form ación p lá s t i c a .La c in é t i c a de la n u c le a c ió n m a r te n s it ic a in d u cid a p or

deform ación puede s e r d e s c r i t a adecuadamente p or una r e la c ió ncon ten ien d o 2 parám etros que dependen de la tem peratura y unexponente f i j o . El p rim er parám etro, a , d e s c r ib e la v e lo c id a d deform ación de bandas de c o r t e con re s p e c to a la d e form ación ydepende p r in c ip a lm en te de la en e rg ía de f a l l a de a p ila m ie n to ; e lsegundo parám etro, , se r e la c io n a lin ea lm en te a la p ro b a b il id a dde que una in t e r s e c c ió n de banda de c o r t e pueda gen erar unembrión de m a rten s ita y e s gobernado por e l p o t e n c ia l quí m ico de

v~>cl *la r e a c c ió n m artensl t i c a AG‘E ste m odelo p r e d ic e que la curva de f r a c c ió n volumen de

m a rten sita e s una fu n c ió n de la d e form ación y t ie n e una form a s ig m oid a l , de a cu erdo con lo s datos de A n gel. E l a n á l i s i s de Olson y Cohén p rovee una r e la c ió n para la form ación dem a rten sita con deform ación p lá s t ic a y como é s t a es a fe c ta d a p or la en e rg ía de f a l l a de a p ila m ien to y v e lo c id a d de d e form a ción .

19

III. E X P E R I M E N T A C I O N

3.1 MA TE RIAL:

Para e fe c tu a r la exp erim en tación se em plearon láminas de a cero in o x id a b le AISI 304 de 1 .7 mm de e s p e s o r , e l cu a l re p o r tó la co m p os ic ión quím ica m ostrada en la t a b la I :

TABLA I COMPOSICION QUIMICA DE ACERO INOXIDABLE AISI 304

ELMENTO Fe Cr Ni C Mn Si S P

% PESO B al. 19.0 9 .0 0 .0 8 2 .0 0 .2 0 0 .030 0 .0 3

E ste m a te r ia l p resen tó un tamaflo de grano i n i c i a l de 16 pm con una m a triz 100% a u s t e n ít ic a .

Se maquinaron p rob e ta s de te n s ió n con la geom etrí a y d im ensiones m ostradas en la f i g . 3

3 .2 EQUIPO:

Para r e a l iz a r la exp erim en tación se h iz o uso d e l equ ip o s ig u ie n te :

- Máquina de te n s ió n In stro n e le c tro m e cá n ica con cap acid ad de5 ,000 kg.

- D ifra c tó m e tro de Rayos X Shimadzu con r a d ia c ió n Cu K -a l fa monocromador de g r a f i t o .

- Horno C a r b o lit e program able.- Equipo m e ta lo g r á fic o .

20

1 .

d i r e c c i ó n d e

l a m i n a c i ó n

s u p e r f i c i e p u l i d a

-ne c í n i c a m e n t e __

10 mm

R= 5 m m / \

35 mm 10 0 >nm

20 nm

F ig . 3 . - Geom etría y d im ensiones de la s p ro b e ta s de te n s ió n .

21

3 . 3 . 1 TRATAMIENTO TERMICO:

3 .3 DESARROLLO EXPERIMENTAL•

E l o b j e t i v o d e l t r a t a m i e n t o t é r m i c o a l m a t e r i a l f u e e l d e p r o m o v e r e l c r e c i m i e n t o d e l g r a n o y o b t e n e r v a r i o s ta m a ñ o s d e g r a n o p a r a l a e x p e r i m e n t a c i ó n .

L a s lá m i n a s m a q u in a d a s p a r a e n s a y e d e t e n s i ó n f u e r o n

l l e v a d a s a r e c o c i d o a 1 0 1 0 °C d u r a n t e 2 , 3 y 4 h o r a s .

T r a n s c u r r i d o e l t i e m p o s e t e m p ló e l m a t e r i a l e n a g u a . E l t a m a « o

d e g r a n o o b t e n i d o f u e d e 3 2 , 4 5 y 6 5 Mm, r e s p e c t i v a m e n t e . C on 2

h o r a s d e r e c o c i d o s e o b t u v o g r a n o d ú p l e x . Una p a r t e d e l m a t e r i a l

n o r e c i b i ó t r a t a m i e n t o t é r m i c o , p e r m a n e c i e n d o c o n u n ta m a ñ o d e

g r a n o d e 1 8 í-im.

3 . 3 . 2 PRUEBAS DE TENSION.

P r e v i o a l a d e f o r m a c i ó n l a s s u p e r f i c i e s d e l a s m u e s t r a s

f u e r o n p u l i d a s m a n u a lm e n te p a r a e l i m i n a r l a c a p a d e ó x i d o

f o r m a d a d u r a n t e e l r e c o c i d o .

S e to m ó u n a p r o b e t a d e c a d a u n o d e l o s ta m a ñ o s d e g r a n o y

s e l l e v ó a l e n s a y o d e t e n s i ó n h a s t a f r a c t u r a p a r a a s í d e t e r m i n a r

e s f u e r z o d e c e d e n c i a y e s f u e r z o m á x im o y p o d e r d e t e r m i n a r e l

r a n g o d e t r a b a j o .

L a v e l o c i d a d d e d e f o r m a c i ó n i n i c i a l e m p le a d a d u r a n t e e l

e n s a y o f u e d e 1 . 3 x 1 0 -4 s e g - 1 .

R e a l i z a d o l o a n t e r i o r s e p r o c e d i ó a r e a l i z a r l a s p r u e b a s

i n t e r r u m p i d a s d e t e n s i ó n a l a s p r o b e t a s a t e m p e r a t u r a a m b ie n t e

p a r a i n d u c i r , p o r d e f o r m a c i ó n , l a t r a n s f o r m a c i ó n m a r t e n s i t i c a .

3 . 3 . 3 . DIFRACCION DE RAYOS X :

P a r a e v a l u a r e l c a m b io e n f r a c c i ó n v o lu m e n d e m a r t e n s i t a s e

h i z o u s o d e l m é t o d o d e c o m p a r a c i ó n d i r e c t a ' 1B! e n t r e l a s

i n t e n s i d a d e s d e l o s p i c o s ( 1 1 1 ) y ( 1 1 0 ) d e a u s t e n i t a y m a r t e n s i t a , r e s p e c t i v a m e n t e . S e e m p le ó r a d i a c i ó n Cu

g e n e r a d a a 2 5 KV b a j o l a s s i g u i e n t e s c o n d i c i o n e s :

22

v e lo c id a d de b a r r id o = 2 °/m in .

v e lo c id a d de la ca r ta = 20 mm/snin.

co lim a d ores = 1 ° , 1° , 0 .6 °-

rango = 2K O

ra d ia c ió n Cu K -a lfa = 1 .54051 A

co n sta n te de tiem po = 4De la s ca r ta s o b ten id a s d e l d ifr a c tó m e tr o se p ro ce d ió a

determ inar e l % de fa s e s por e l m étodo de com paración d ir e c t a empleando la s s ig u ie n te s e cu a c io n e s :

* * b H h f e i - ] M ] < ">I r R?Cy

= ( 18 }la RaCot

Ca + Ca’ = 1 ( 19 )

En donde:- R . - Depende d e l ángulo da Bragg, Í n d ic e s de M il la r y c la s e

de su b sta n cia (a u s te n ita y m a rte n s ita ).- v . - Es e l volumen de la c e ld a u n it a r ia y depende d e l c o n t e ­

n id o de carbon o en e l a ce ro .- F . - Es e l f a c t o r de e s tr u c tu r a .- p . - Es e l f a c t o r de m u lt ip l ic id a d .

2

- 1 ^ c o s 29 _ g g f a c t o r de L oren tz .sen ©cosa

•2M- e Ea e l f a c t o r de tem peratura .- I r , I « ' • Son la s in te n s id a d e s in te g ra d a s de l s s l in e a s

s e le c c io n a d a s de la s fa s e s austen í t i c a y martensf t i c a re s p e c t iv a m e n te .

23

- Cy, Ca' - S o n l a s f r a c c i o n e s v o l u m é t r i c a s d e l a s f a s e s

a u s t e n í t i c a y m a r t e n s i t í c a p r e s e n t e s e n e l

a c e r o , r e s p e c t i v a m e n t e .

C on e s t o s d a t o s s e o b t i e n e l a t a b l a s i g u i e n t e :

TABLA I I . - PARAMETROS DE TRABAJO EMPLEADOS

F a s e AUSTENITA ( 1 1 1 ) MARTENSITA ( 1 1 0 )

A n g u l o ,© ( g r a d o s ) 2 1 .7 7 2 2 .2 1

V o l . c e l d a (ma ) 4 5 .0 6 1 0 x 10 - 2 7 2 3 .6 2 5 9 x 10 - 2 7

s e n 8/K 0 .2 4 0 7 0 .2 4 5 3

fF® 1 8 .8 9 8 7 1 8 .8 9 8 6

P 8 . 0 1 2 .0

F a c t o r d e L o r e n t z 1 1 .9 4 6 1 1 .4 1 8

-2 Me 0 . 9 4 0 . 9 4

N o t a : o- L o n g u i t u d d e o n d a ( X ) ( A ) = 1 .5 4 0 5 1

24

IV. R E S U L T A D O S

4 . 1 E N S A Y O S D E T E N S I O N :

Del ensayo de te n s ió n se o b tu v ie ro n ca r t a s de a la rga m ien to de la p rob e ta co n tra carg a a p lic a d a , de e l l a s se ob tu v ie ro n d a tos para c a lc u la r lo s e s fu e r z o s y d e form acion es r e a le s . Los e s fu e r z o s de ce d e n c ia y róx im o para cada tamaño de grano se muestran en la ta b la I I I .

TABLA I I I . - RESULTADOS DE PRUEBAS DE TENSION

TAMAÑO DE GRANO ( M m )

ao

(Kg/mm*)( J m a x .

(Kg/mir )

A l

%n Vfm

( a a-max )

16 32 123 68 0 .2 3 0 .07532 21 106 65 0 .2 5 0 .09045 16 104 64 0 .3 6 0 18065 14 94 53 0 .37 0 .350

25

4 . 2 CUANTIFICACION DE MARTENSITA:

En l a f i g u r a 4 s e m u e s t r a un d i f r a c t o g r a m a t í p i c o q u e s e

o b t i e n e a l r e a l i z a r e l a n á l i s i s p o r d i f r a c c i ó n d e r a y o s X a l a s

p r o b e t a s e n s a y a d a s , e n d o n d e s e p u e d e o b s e r v a r l a v a r i a c i ó n e n l a i n t e n s i d a d d e l p i c o d e l a m a r t e n s i t a y l a i n t e n s i d a d d e l p i c o

d e l a a u s t e n i t a c o n f o r m e v a r í a l a d e f o r m a c i ó n . En l a f i g u r a 5 s e

m u e s t r a n l o s r e s u l t a d o s d e g r a f i c a r l a c a n t i d a d d e m a r t e n s i t a

i n d u c i d a p o r d e f o r m a c i ó n d e t e r m i n a d a p o r e l m é t o d o d e

c o m p a r a c i ó n d i r e c t a c o n t r a l a d e f o r m a c i ó n r e a l p a r a l o s

d i f e r e n t e s ta m a ñ o s d e g r a n o e n s a y a d o s . En e s t e t r a b a j o p u e d e

e x i s t i r c i e r t o e r r o r e n l a c u a n t i f i c a c i ó n d e m a r t e n s i t a y

a u s t e n i t a , e l c u a l p u e d e s e r a t r i b u i d o a l a f o r m a c i ó n d e

m a r t e n s i t a s u p e r f i c i a l y a l a p r e c i s i ó n d e l m é t o d o , e l c u a l

s e g ú n s e h a r e p o r t a d o , p u e d e p r e s e n t a r v a r i a c i o n e s d e h a s t a */- 5% < i a > . c o m o s e e s p e r a b a , l a c a n t i d a d d e m a r t e n s i t a i n d u c i d a

p o r d e f o r m a c i ó n a u m e n ta m ás r á p id a m e n t e a m a y o r ta m a ñ o d e g r a n o ,

y e s t a v a r i a c i ó n e s m ás p r o n u n c i a d a e n t r e l o s t a m a ñ o s d e 4 5 a

65 ;jm . A s í m is m o , c o m o s e p u e d e o b s e r v a r e n l a f i g u r a 5 , c o n

d e f o r m a c i o n e s m e n o r e s d e 0 . 0 8 s e t i e n e u n a c a n t i d a d d e

m a r t e n s i t a i n d u c i d a p o r d e f o r m a c i ó n m e n o r e n l a m u e s t r a c o n

ta m a ñ o s d e g r a n o d e 65pm , c o n r e s p e c t o a l o s d em á s ta m a ñ o s d e

g r a n o . E s t a s v a r i a c i o n é s p u e d e n d e b e r s e a l a v a r i a c i ó n e n l a

c u a n t i f i c a c i o n d e l a m a r t e n s i t a co m o s e m e n c io n ó a n t e r i o r m e n t e ,

o b i e n , p u e d e s e r u n e f e c t o e n t r e e l ta m a ñ o d e g r a n o y e l n ú m e ro

d e s i t i o s d i s p o n i b l e s p a r a l a n u c l e a c i ó n . E s t e a s p e c t o s e r á

d i s c u t i d o e n e l c a p í t u l o s i g u i e n t e .

4 . 3 M ETALOGRAFIAS:

La o b s e r v a c i ó n d e l ta m a ñ o d e g r a n o y d e l a 3 e s t r u c t u r a s d e

l a s p r o b e t a s d e f o r m a d a s s e r e a l i z ó p o r m e d io d e m i c r o s c o p í a

ó p t i c a . L a s m e t a l o g r a f í a s p a r a e s t o s e s t u d i o s s e p r e p a r a r o n

m e d ia n t e t é c n i c a s c o n v e n c i o n a l e s y e m p le a n d o e l s i g u i e n t e

r e a c t i v o p a r a r e v e l a r l a s f a s e s HN03 : 2 H C 1: 3 H 2 0 .

En l a f i g u r a 6 s e m u e s t r a e l a s p e c t o d e u n a m i c r o e s t r u c t u r a

o b t e n i d a , l a c u a l p r e s e n t a m a r t e n s i t a l e n t i c u l a r .

26

F i g . 4 . - D i f r a g t o g r a m a o b t e n i d o c o n u n ta m a ñ o d e g r a n o d e 65¿im a d i f e r e n t e s d e f o r m a c i o n e s . d e f o r m a c i o n e s .

27

G r a f i c a V F M V . S . D E F O R M A C I O N D a to © E x p e r i m e n t a l e s

VFM

Deform*olon Ree¡* Nota T G en miorae

Fig. 5.- F r a c c i ó n v o l u m e n de m a r t e n s i t a e n f u n c i ó n de la d e f o r m a c i ó n r eal o b t e n i d a e x p e r i m e n t a l m e n t e , p a r a e l a c e r o i n o x i d a b l e austení t i c o 304 a t e m p e r a­

t u r a ambiente.

28

F ig . 6 . - Aspecto de la m icroestructura en una muestra ad ife re n te s deformaciones . (Tamaño de Grano de 65Mm).

a ) e - 0 . 02 0b) c- 0 .0 7 9c ) * = 0 . 3 7 6

29

V D I S C U S I O N D E R E S U L T A D O S

5 .1 . EFECTO DE LA TRANSFORMACION EN LAS PROPIEDADES TENSILES:

La v a ria c ió n d el tamaño de grano a fe c ta e l esfu erzo de cedensia de acuerdo a la le y de H a ll-P e tch , por lo que a menor tamaño de grano e l esfu erzo de cedencia aumenta, e sto se i lu s t r a en la f i g . 7 . aquí se ha demostrado que a mayor tamaño de grano la fra c c ió n volumen de m artensita transform ada por deformación aumenta, sí la m artensita fu ese inducida por esfu erzos cercanos a l esfu erzo de c e d e n c ia ,e ste e fe c to podría competir con e l decremento en e l esfu erzo de cedencia a l incrementar e l tamaño de grano, ya que la m artensita formada endurecería e l m a te ria l. En e3te estu d io se ha observado que e l tamaño de grano co n tro la e l esfu erzo de cedencia , y que la m artensita formada puede con siderarse como inducida por deform ación únicamente.

Por lo que respecta a l endurecim iento por deform ación, e l cual puede rep resen tarse por e l exponente n de la re la ció n acu :", cuyos v a lo r e s encontrados experimentalmente son reportados en la ta b la I I I ; se observa que n tien d e a aumentar a l e x is t ir una mayor transform ación a m arten sita , ocurriendo e sto con tamaños de grano grande.

De lo a n terior se puede co n c lu ir que e l e fe c to de la fra c c ió n volumen de transform ación m a rte n sitica inducida por deformación en e l esfu erzo de cedencia es prácticam ente n u lo , e3to es ló g ic o porque la cantidad de transform ación en e l momento de cedencia es muy b a ja . Pero por o tra parte e sta transform ación sí a fe c ta a l endurecim iento por deform ación, teniendo un mayor endurecimiento a tamaños de grano grande ya que es donde la transform ación a m arten sita , ocurre más rápidamente. La m artensita es una fa s e más dura que la a u sten ita y además presenta un obstácu lo para e l movimiento de d is lo c a c io n e s conduciendo a un endurecimiento debido más b ien a la p resencia de la fa se martensl t i c a y no tanto a l endurecim iento por deformación propiamente d ich o, e sto es debido a la in tera cció n entre d is lo c a c io n e s .

30

Fig 7 - Esfuerzo de cedencia contra tamaño de grano. Para e l acero in oxidab le 304 usado en la experim entación.

i'

El e fe c to a rrib a d e sc r ito es b en éfico para la tenacidad d el m aterial ya que a l e x i s t i r la formación de m artensita hay un mayor endurecim iento a l deformar, se consume mayor en erg ía , pero observando abuena d u c tilid a d (ver ta b la I I I ) . Por o tra parte e l endurecimiento por m artensita inducida por deformación debe ten erse en cuenta en estu d ios donde la deformación en f r í o d el acero in oxid ab le está, p resente en conjunción con e l e fe c to d el tamaño de grano, ya que están relacion ad os en tre sí .

5 .2 CINETICA DE LA TRANSFORMACION:

De la s curvas reportadas en la fig u ra 5 se observa que e l comportamiento sigu e una tendencia s im ila r a la reportadaanteriorm ente en e s te t ip o de e s tu d io s .

En nuestro c a so , debido a lo s in te rv a lo s de deformación ap licados a la s m uestras, no se obtuvo la forma 3igm oidal de la s curvas exactam ente, aunque lo s contenidos de m artensita son sim ila re s a lo s reportados en o tro s e stu d io s .

En lo s s ig u ie n te s p árrafos se presenta un a n á lis is de lo sresu ltad os obtenidos a l a p lic a r la s ecuaciones de la c in é t ic a de transform ación de lo s d ife r e n te s modelos presentados en la re v is ió n b ib lio g r á f ic a de é s ta t e s i s a nuestros datosexperim entales, a f i n de id e n t if ic a r e l papel que juega e l tamaño de grano en la c in é tic a de la rea cció n .

5 .2 .1 Modelo de Angel:Recordando la ecuación de c in é tic a de transform ación

presentada en e l ca p ítu lo I I :

32

Se p r o c e d i ó a c a lc u la r e l v a lo r de la s constan tes en función del tamaño de grano, empleando lo s datos de la f i g . 5.

TAMAÑO DE GRANO, pm

n k

16 0 .1 2 7 5 0 .0 4 1

32 0 .2 3 7 9 0 .0 0 345 0 .1 7 2 4 0 .1 1 065 1 .4206 0 .0 0 7

Angel reporta que e l parámetro k depende de la e s ta b ilid a d del m ateria l (com posición química y tem peratura) y n es un parámetro a u tocata lí t i c o . Aquí se observa que n v a r ia sistem áticam ente con e l tamaño de grano, m ientras que k no v a r ia sistem áticam ente. Por lo ta n to , e l parámetro au to ca ta lí t ic o n está in flu en ciad o por e l tamaño de grano. Lo a n te rio r puede observarse en la fig u ra 8 , donde la pendiente n de la s recta s es función del tamaño de grano.

Como se mencionó en la sección de r e su lta d o s , la s muestras con tamaños de grano pequeño presentan contenidos mayores de m artensita a deform aciones pequeñas; a l a p lic a r la ecuación de Angel a e sto s d a to s , es in te re sa n te notar que la ordenada a l origen es mayor. E ste e fe c to fue d isc u tid o por Cohén tl7> y se puede a tr ib u ir a que in ic ia lm e n te un m ateria l con tamaño de grano fin o posee mayor cantidad de s i t i o s fa v o ra b le s para la nucleación de m arten sita , ya que la s d is lo c a c io n e s en l a 3 bandas de deslizam iento v ia ja n d is ta n c ia s más c o r ta s , aumentando la probabilidad de in te rse c c io n e s que originan más n úcleos para la m artensita . A medida que la deformación aumenta, la proximidad de lo s lim ite s de grano inhibe e l p oten cia l a u to ca ta lí t i c o de la reacción , provocando que la velocid ad de transform ación sea menor que cuando e l tamaño de grano es grande.

33

Modelo de Angel ln(VFM/(1-VFM»- n InE * k

VFM'd - VFM)

D E F O R M A C I O N R E A L•Nota' T. Q en m ieras

F ig . 8 . - G ráfica de la fra c c ió n transformada expresada como VFM/(1 -VFM) contra la deformación re a l de acuerdo a l modelo de Angel.

34

5 .2 .2 . Modelo de C ortes:Tomando la ecuación de c in é t ic a ( 1 1 ’ :

VFM = ( 1 + [ - £ . ] ' “ ]

El v a lo r de la constante B en función d el tamafio de grano calcu lado para nuestros datos e s :

TAMAÑOGRANO,

DE¿tm

B

16 0 .0 8 9 632 0 .1 1 3 745 0 .2 4 1 365 0 .5 7 5 8

Se observa que B v a r ia con e l tamaño de grano. Según Cortes e t a l , B representa un parámetro que considera la n atu raleza a u to e a ta lít ic a de la transform ación m a rte n sitic a . De acuerdo con e sto , e l parámetro B in volucra la in flu e n c ia d el tamatto de grano en una manera s im ila r a l parámetro n del modelo de Angel, ya que ambos varían conforme varia e l tamaflo de grano, com o se i lu s t r a en la f i g . 9 .

35

F ig . 9 . - G rá fica de la fra c c ió n transformada expresada como VFM contra la deformación re a l de acuerdo a l modelo de C ortés, e t . a l .

Los dos modelos a n te rio re s no predicen una in flu e n c ia del tamaño de grano en forma e x p l i t a . Sin embargo, como ae mencionó en la re v is ió n b ib lio g r á f ic a , Cohén propone un modelo en e l que se in volucra e l tamaño de grano cuya ecuación e s :

VFM = 1 - ex p {-/? [ 1 - exp( -<xc) ] " } ( 1 4 )Tomando lo s datos de A ngel, Cohén c a lcu ló e l v a lo r de la s

constan tes n, a y ( 3 . Tomando e sto s re su lta d o s se tie n e que n=4 .5 y que e l v a lo r de a y ( i a temperatura ambiente es 3 .5 5 y0 .5 4 1 6 6 respectivam ente. E stos v a lo re s corresponden a un tamaño de grano constante de 44 pm. Con e l v a lo r de f? para e l tamaño de grano de 44 ¡jtr se pueden re c a lc u la r la s constan tes para un nuevo tamaño de grano bajo la su p o sic ió n , un tanto a trev id a , de que l® 3 demás constantes no v arían . La secuencia que se muestra a continuación e je m p lific a e s te c á lc u lo .

Dada:

5.2.3. Modelo de Olson-Cohen:

y suponiendo que e l v a lo r de Va’ P /(V ) " es independiente de d y despejando:

~ ~ Pn = 16fJ/n*d*( v ° b r

sustituyendo ft~ 0 .5 4 1 6 6 y e l tamaño de grano de 44í-im usado por Cohén:

Va’ P(Vs b ) n

= 1 6 (0 . 5 4 1 6 6 ) /rT (0 . 044)

Va’ Pr = 4 5 3 .5(V“ b ) n

obteniéndose finalm ente que p = 279 .78305 d2 , para d en mm.

37

De e sta manera se pueden re c a lc u la r lo s v a lo res para lo s d ife r e n te s tamaños de grano mostrados a continuación :

TAMAW DE ftGRANO (fJm)

16 0 .0 7 1 6 232 0 .2 6 6 4 945 0 .5 6 6 5 665 1 .18208

Con lo s v a lo res de la s o tra s constan tes reportadas por Cohén y e l v a lo r de la constante ft ca lcu lad a aquí , para cadatamaño de grano empleado en la experim entación, se puedenco n stru ir la s curvas de transform ación en función del tamaño de grano. Los resu lta d o s de e sto s c á lc u lo s son graficad os en lafig u ra 10. Como se puede observar, e x is te una variación n otab le en la c in é t ic a de transform ación a l v a r ia r e l tamaño de grano. Al comparar e sto s v a lo res con lo s v a lo re s experim entales obtenidos aqui ( f i g . 5 ) , se observa una s im ilitu d en la tendencia de v a r ia c ió n en la c in é tic a de transform ación inducida por deformación en función del tamaño de grano, aunque lo s v a lo res no coin ciden exactamente debido a lo s erro res experim entales y a v a riacion es no p re v is ta s en e ste modelo, como lo es e l número de s i t i o s d isp on ib les para la nucleación con tamaños de grano pequeños, como se d i s c u t i ó anteriorm ente.

En todos lo s a n á lis is a n te rio re s se ha encontrado que e l tamaño de grano a fe c ta la n atu raleza a u tocata lí t i c a de latransform ación inducida por deform ación. E sto se puede e x p lic a r

, ( 4 , 5 , » , 1 1 , 1 9 )en base a lo propuesto por o tro s autores queseñalan que e l número de s i t i o s p o te n c ia le s para la nucleación de la m artensita está relacion ad o con la densidad de d is lo c a c io n e s en una banda de d esliza m ien to , por lo que a mayor lon gitu d de la s bandas de deslizam ien to mayor probabilidad de encontrar núcleos para la transform ación ocurriendo e sto en m a teria les de mayor tamaño de grano, m ientras que la cercanía de I 03 l ím ite s de grano, tamaño de grano pequeño, posiblem ente inhibe e l p o ten cia l a u to c a ta lít ic o de la reacción m a rte n sitic a , aunque la manera en que e sto ocurre es aún desconocida.

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Fig. 1 0.- F r a c c i ó n v o l u m e n de m a r t e n s i t a c o n t r a d e f o r m a c i ó n r e a l p a r a d i f e r e n t e s t a m a ñ o s d e g r a n o de a c u e r d o al m o d e l o d e O l s o n -C oh en .

3 3

VI. C O N C L U S I O N E S

1. La t r a n s f o r m a c i ó n m a r t e n s i t i c a i n d u c i d a p o r d e f o r m a c i ó n

e n el a c e r o i n o x i d a b l e a u s t e n í t i c o 304 se v e a f e c t a d a

m a r c a d a m e n t e p o r e l t a m a H o d e grano. A m a y o r t a m a H o de grano,

m a y o r c a n t i d a d de m a r t e n s i t a a u n a d e f o r m a c i ó n dada. E n o t r a s

p a l a b r a s , el a u m e n t o e n el t a m a ñ o de g r a n o a c e l e r a la c i n é t i c a

d e t r a n s f o r m a c i ó n .

2. E n b a s e al a n á l i s i s e n los m o d e l o s d e t r a n s f o r m a c i ó n

m a r t e n s i t i c a i n d u c i d a p o r d e f o r m a c i ó n , el t a m a ñ o de g r a n o a f e c t a

el c o m p o r t a m i e n t o a u t o c a t a l í t i c o d e la re ac ci ón .

3. El m o d e l o d e O l s o n - C o h e n p r e d i c e u n e f e c t o de l t a m a ñ o d e

g r a n o c u y a t e n d e n c i a e s s i m i l a r a l a o b s e r v a d a e x p e r i m e n t a l m e n t e

e n e s t e trab aj o. M i e n t r a s q u e e n los o t r o s m o d e l o s el t a m a ñ o d e

g r a n o i n t e r v i e n e d i r e c t a m e n t e e n el f a c t o r q u e r e p r e s e n t a e l

p o t e n c i a l a u t o c a t a l í t i c o d e la rea c ci ón.

40

R E F E R E N C I A S

1.- D. P e c k ne r, I. B e m s t e i n : H a n d b o o k of S t a i n l e s s Steels,

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2.- R o b e r t E. R e e d - H i l l : P r i n c i p i o s d e M e t a l u r g i a Físi ca ,

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3.- E. A. M a r t í n e z , M. G a c h u z M . : “T r a n s f o r m a c i ó n

M a r t e n s i t i c a I n d u c i d a p o r D e f o r m a c i ó n " , M e m o r i a s X

E n c u e n t r o d e I n v e s t i g a c i ó n M e t a l ú r g i c a , S a l t il lo ,

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T e c h n o l o g y of P l a s t i c i t y , (1990), Vol. 1, pag. 65-70.

15.- J. R. C. G u i m a r a e a : " C o n c e i t u a c a o , C i n é t i c a eM o r f o l o g í a d a T r a n s f o r m a c a o M a r t e n s i t i c a e m Acos",

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