Efecto de la deformación plástica de la austenita en las transformaciones de fase displacivas que tienen lugar durante un tratamiento de ausforming en un acero con un contenido medio en carbono y alto en silicio

Resumen

Los procesos tradicionales de fabricación de piezas mecánicas de acero incluyen un tratamiento termo-mecánico, en el que el acero se deforma a temperaturas altas con el fin de obtener una cierta geometría de la pieza y optimizar la estructura del material. Durante las últimas décadas, se han modificado algunos procesos de laminación en caliente, introduciendo una última pasada de deformación a temperaturas intermedias. La aplicación de deformación a temperaturas intermedias y la consiguiente modificación de la estructura austenítica tiene el objetivo de modificar las transformaciones de fase alotrópicas que suceden durante la propia deformación o durante el tratamiento térmico que se realiza tras el proceso de deformación. En este contexto, se aplican los tratamientos termo-mecánicos de “ausforming”, tratamientos en los cuales la estructura austenítica se deforma plásticamente a temperaturas intermedias, por debajo de la temperatura crítica Ar3, previamente a la transformación y obtención de microestructuras de tipo displacivo, como la martensita y/o la bainita. El efecto de la deformación a temperaturas intermedias en las transformaciones displacivas en aceros ha sido estudiado durante los últimos años, aunque todavía no se conocen todos los mecanismos que controlan estas transformaciones. Entender dichos mecanismos podría ayudar a optimizar ciertos procesos de fabricación, mejorando las propiedades mecánicas respecto a las de otras estructuras formadas por procesos más convencionales. En esta tesis doctoral, se estudia el efecto de la deformación en las transformaciones de fase que tienen lugar durante un tratamiento de ausforming a temperaturas intermedias en un acero con un contenido medio en carbono y un contenido alto en silicio. Para ello, se han aplicado deformaciones mediante compresión a 520, 400 y 300 ºC, seguidas de un tratamiento isotérmico a 300 ºC, en el rango bainítico. Los resultados se han comparado con aquellos obtenidos mediante un tratamiento isotérmico a 300 ºC, sin deformación. Con el fin de entender el efecto de la deformación en las transformaciones, se ha estudiado la evolución microestructural durante el procesado de ausforming de microestructuras bainíticas, incluyendo la caracterización tanto de la austenita previa a la transformación, como de las fases metaestables inducidas por deformación, y de las fases metaestables formadas durante el tratamiento isotérmico y enfriamiento final a temperatura ambiente. Una de las conclusiones más relevantes de este trabajo es, que el aumento de la energía libre asociada a la aplicación de una tensión, induce una transformación bainítica o martensítica durante los tratamientos de ausforming a temperaturas de deformación de 400 y 300 ºC. Asimismo, la aplicación de una deformación previa en la austenita altera el carácter isótropo de la transformación bainítica, de manera que, cuando la temperatura de deformación es 400 y 300 ºC, la señal dilatométrica durante la etapa isotérmica de los tratamientos de ausforming presenta diferentes cambios de longitud relativa dependiendo de la dirección de medida, radial o longitudinal. Por otro lado, se ha estudiado el efecto de la deformación en las microestructuras finales obtenidas tras el procesado de ausforming, en especial en las fracciones de volumen de cada una de las fases que conforman la microestructura, sus morfologías y tamaños de grano, la distribución de soluto a la nanoescala y las características cristalográficas de la ferrita bainítica, entre otros. La conclusión más importante de este estudio es que la aplicación de una deformación previa en la austenita favorece que las placas de ferrita bainítica crezcan orientadas a ±45 º con respecto a la dirección de compresión, lo que indica que ocurre un fenómeno de selección de variantes asociado a la anisotropía de transformación previamente mencionada. El posterior estudio de las razones que subyacen a este fenómeno de selección de variantes, y que afecta a la microestructura a la macro y microescala, permitió concluir que los mecanismos que promueven este fenómeno están asociados con la deformación plástica de la austenita. Las simulaciones de plasticidad cristalina llevadas a cabo evidencian que, en la austenita previa a la transformación, la deformación se distribuye a lo largo de micro-bandas localizadas a ±45 º con respecto a la dirección de compresión. Las placas de ferrita bainítica no cruzan las fronteras de estas micro-bandas durante su crecimiento, por lo que tienden a formarse con la misma dirección de orientación. El efecto que esta selección de variantes tiene en la señal dilatométrica ha sido evaluado mediante una metodología que combina la Teoría Fenomenológica de la Martensita con un análisis de mecánica del continuo. De esta manera, se ha podido explicar por qué la selección de variantes da lugar a señales de dilatometría anisótropas. Finalmente, se ha analizado la viabilidad de implementar industrialmente el proceso de ausforming en aceros de contenido medio en C (0.3 -0.5 % en peso C) para aplicaciones en el sector del automóvil, basándose en las principales conclusiones del proyecto europeo TIANOBAIN (Ref. RFCS-2015-709607) en el que se enmarca este trabajo de tesis. Se valora que la implementación industrial de tratamientos de ausforming debe superar ciertos retos de carácter tecnológico, tales como el desarrollo de trenes de laminación con mayor capacidad de deformación capaces de deformar las piezas de acero a temperaturas intermedias y una mayor capacidad de enfriamiento para poder evitar la transformación del acero antes de alcanzar las temperaturas de transformación bainítica. Sin embargo, es importante remarcar que la combinación de propiedades mecánicas obtenida en los materiales tratados mediante ausforming en este proyecto supera a aquellas obtenidas en microestructuras convencionales o en otras microestructuras bainíticas. Traditional manufacturing processes for steel parts include thermo-mechanical treatments, in which the steel part is deformed at high temperatures to obtain a specific geometry and to optimize the microstructure. During the last decades, some thermo-mechanical processes have been modified, adding a last deformation pass at intermediate temperatures. Applying plastic deformation at such temperatures and the consequent austenite structural change has the aim of altering the allotropic phase transformations happening while and after the deformation is applied. In this context, we can find the ausforming processes, treatments in which the austenite structure is plastically deformed at intermediate temperatures before a thermal treatment, during which displacive phase transformations occur, takes place. The effect of austenite plastic deformation at intermediate temperatures has been studied during the last years, although the mechanisms that control these transformations are still unknown. Understanding such mechanisms could help to optimize some manufacturing processes to improve the mechanical properties with respect to the ones of other structures formed by conventional processes. In this PhD. thesis, the effect of deformation at intermediate temperatures on phase transformations during an ausforming treatment in a medium carbon high silicon steel, was studied. The performed ausforming treatments consisted in applying a compressive deformation at 520, 400 and 300 ºC, followed by an isothermal holding at 300 ºC, in the bainitic range. The results were compared to those obtained by an isothermal treatment at 300 ºC, to evaluate the effect of the plastic deformation. To achieve the main goal, different studies were performed. First, the microstructural evolution during the ausforming process was studied, including the characterization of both the prior austenite, the strain induced meta-stable phases and the meta-stable phases formed during the isothermal holding and the final cooling down to room temperature. One important conclusion is that, during the ausforming treatments with deformation temperatures of 400 and 300 ºC, the application of plastic deformation induces bainitic and martensitic transformations promoted by the increase of free energy due to the applied stress. Another important conclusion is that, for the deformation temperatures of 400 and 300 ºC, the application of prior deformation alters the bainitic transformation anisotropy, making the dilatometric signal obtained during the isothermal holding vary depending on the measurement direction. Subsequently, the reason why the austenite plastic deformation alters the microstructure in such a way was studied. It was detected that the transformed bainitic ferrite presents a variant selection phenomenon which affects the microstructure at the macro and microscale. It was concluded that the mechanisms that promoted this phenomenon are clearly associated with the plastic deformation of austenite. Crystal plasticity simulations showed that, in the prior austenite, deformation distributes along micro-bands which lie at about ±45 º with respect to the compression direction. The bainitic ferrite plates cannot go through the micro-band boundaries and tend to grow along them. The effect of variant selection on the dilatometric signal was assessed by a methodology that combines the Phenomenological Theory of Martensite with a continuum mechanics analysis. In this way, it was possible to explain why variant selection can lead to anisotropic dilatometric signals, as the results present similar trends to the experimentally observed ones. Finally, the viability to industrially implement ausforming processes in medium carbon steels (0.3 -0.5 wt. % C) for the automobile industry was evaluated by using the conclusions of the project RFCS-2015-709607. It is concluded that the industrial implementation of ausforming treatments requires achieving certain technological challenges, such as the development of rolling mills with a higher capacity to deform steel parts at intermediate temperatures and an improved ability to cool down the parts to avoid phase transformations before the bainitic transformation temperature range are achieved. Regardless of those technological challenges are achieved, the combination of tensile mechanical properties obtained in the project was better than those obtained in conventional microstructures or in other bainitic microstructures.