Paralelo entre los aceros aleados con cromo-níquel y los

CONAMET/SAM-2008
PARALELO ENTRE LOS ACEROS ALEADOS CON CROMO-NÍQUEL Y LOS
ACEROS Fe-Mn-Al-C, EN SUS RESPUESTAS A FRACTURA Y DESGASTE
(REVIEW)
J. Ramos1, G.A. Perez2
1: Universidad Autónoma de Occidente. Cali, Colombia. 2: Universidad Del Valle. Cali, Colombia
[email protected]
RESUMEN
La gran demanda a nivel mundial de los aceros aleados con cromo-níquel (“acero convencional”), lleva a la
necesidad de encontrar materiales avanzados para aplicaciones en diversos sistemas ingenieriles que
operen a altas temperaturas y en condiciones ambientales agresivas, propiciando la investigación y
desarrollo de aleaciones alternas. En esta carrera tecnológica por la búsqueda de estos nuevos materiales,
las aleaciones FeMnAlC (“nuevos aceros”) han llamado la atención por sus excelentes propiedades
mecánicas y tribológicas, como también por su buen desempeño en ambientes oxido-corrosivos, que las
asemejan a las características del acero convencional. Entre estos dos aceros se destacan dos similitudes
importantes. La primera, se trata de que en ambos aparece un agente causante de la película pasivante que
da lugar al carácter de inoxidable: El cromo en el acero convencional, y el aluminio en la aleación
FeMnAl. La segunda, es que también en ambos aparece un agente estabilizador de la fase austenítica
(FCC), la cual permite obtener excelentes propiedades mecánicas: El níquel en el acero convencional, y el
manganeso en la aleación FeMnAl.
En ciertos sectores como la construcción aeronáutica, el acero convencional apenas es utilizado debido a
que es un material muy pesado. Este acero convencional es casi tres veces más pesado que el aluminio
(7,85/2,7). Dos ventajas que los nuevos aceros FeMnAlC presentan sobre los aceros convencionales: La
primera, es que poseen valores de peso específico cercanos al 13% menos. La segunda, hace referencia a su
menor costo. Los FeMnAl presentan además excelentes propiedades mecánicas y buena resistencia a la
oxidación-corrosión, lo cual genera expectativas importantes para su aplicación en un amplio espectro
científico.
En el presente trabajo se realiza un informe sobre el estado del arte de las aleaciones FeMnAlC, realizando
un paralelo de comportamiento mecánico y tribologico con respecto a los aceros convencionales aleados
con cromo y níquel, especificando los alcances en su aplicación. Se encontró que una condición que
favorece la fragilidad de los aceros es la alta velocidad de deformación e impacto, siendo los materiales de
estructura cristalina FCC los que no presentan transición dúctil frágil por lo que son aptos para soportar
grandes impactos a bajas temperaturas. Los materiales de estructura cristalina BCC limitan su uso en la
región de alta tenacidad. También se puede agregar, que bajo adecuadas condiciones térmicas de
preparación, se obtienen óptimas propiedades microestructurales en las aleaciones FeMnAlC, de tal forma
que sus respuestas mecánicas y de desgaste posibilitan excelentes aplicaciones alternativas para la industria.
Palabras Claves: Aceros, Aleación FeMnAlC, Comportamiento Mecánico, Impacto Charpy, Tribología.
1. INTRODUCCION
Los aceros producidos con base en la aleación
ternaria Fe-Ni-Cr, denominados “aceros
convencionales”, han contribuido de forma
significativa al desarrollo tecnológico de las
sociedades industrializadas, formando parte
imprescindible de la vida cotidiana moderna en
todos sus aspectos. Son las aleaciones más
utilizadas en la construcción de maquinaria,
herramientas, edificios, obras públicas,
electrodomésticos, automóviles,
industria
farmacéutica, etc. Su alta producción a nivel
mundial, aparejado al desarrollo industrial después
de la segunda guerra mundial, ha hecho que estos
aceros alcancen cifras de producción inigualables.
Mientras que en el año 2003 en el mundo se
produjo 950 millones de toneladas, de las cuales un
45% provino de acero reciclado, la producción
mundial bruto en 2005 ascendió a 1130,
incrementándose en un 5,9% con respecto a 2004.
Ya en el año 2007 se produjo mundialmente más de
1300, marcándose una expectativa de 1500
millones de toneladas en la producción para el año
2008.
La característica por excelencia importante del
acero convencional es su buena resistencia a la
oxidación y a la corrosión, originada por la
capacidad de formar una película superficial de
óxido de cromo, la cual sirve para la protección del
acero en ambientes hostiles, y debido a que el
cromo estabiliza la fase ferrítica con estructura
BCC. Dicha película pasivante es capaz de
reconstruirse cuando se daña, dando así el carácter
de inoxidable al acero, pues la protección de la
mencionada capa pasivante es continua y
permanente.
Como una alternativa tecnológica importante, surge
la aleación FeMnAlC, la cual posee propiedades
bastante símiles a las de los aceros convencionales
en cuanto a su comportamiento mecánico,
tribológico y también por su buen comportamiento
en ambientes hostiles de corrosión y oxidación.
Dicha aleación posee una marcada diferencia
investigativa con respecto a los aceros
convencionales no obstante que aquellas datan
desde mitades del siglo XX. Esto trae como
consecuencia lógica que la aplicación de
componentes mecánicos FeMnAlC bajo
condiciones de abrasión e impacto requiera en la
actualidad de investigación fundamental para
lograr sus diversas aplicaciones.
Se resalta en el presenta trabajo la labor
investigativa sobre las aleaciones FeMnAlC
realizadas hasta el momento en lo que respecta a su
comportamiento a la fractura, su estequiometría
apropiada, los tratamientos térmicos ideales y sus
respuestas al desgaste. En términos generales se
encuentra que los comportamientos mecánicotribologicos de estas aleaciones son bastante
similares al comportamiento mostrado por los
aceros convencionales, teniéndose entonces una
amplia posibilidad de utilización industrial.
2. ASPECTOS TEÓRICOS
La fractura es la separación o fragmentación de un
sólido bajo la acción de un esfuerzo y con la
formación de nuevas superficies se considera como
la culminación del proceso esfuerzo deformación y
transcurre en tres etapas: Nucleación de grietas,
Propagación de las grietas, Separación final de las
superficies. Cuando la fractura ocurre bajo una sola
aplicación de carga y en un tiempo muy corto,
aparece la denominada fractura estática, la cual se
clasifica según la deformación plástica previa del
material en: fractura dúctil, cuando existe una
notable deformación plástica y en fractura frágil,
cuando existe poca o nula deformación plástica en
donde el mecanismo es el clivaje, el cual consiste
en la separación directa de planos cristalinos por
ruptura de enlaces.
Algunas estructuras como la FCC, no presentan
clivaje, salvo en unos excepcionales casos, como
por ejemplo a muy bajas temperaturas y a muy altas
velocidades de deformación. De acuerdo con el
mecanismo de clivaje, el esfuerzo de fractura es el
necesario para separar los enlaces atómicos en el
plano de fractura. Con esto, la resistencia a la
fractura es teóricamente definida como la
resistencia cohesiva, que varía de acuerdo con la
separación atómica.
La fractura frágil es la forma de fractura más
peligrosa, pues ocurre muy rápido y sin
deformación apreciable que la delate. Los metales y
en especial los aceros son generalmente muy
tenaces, sin embargo, bajo ciertas condiciones
pueden ser muy frágiles. La forma más común de
fragilidad en los aceros al carbono es la transición
dúctil frágil a bajas temperaturas. En estas
condiciones un acero se torna súbitamente frágil,
cuando se encuentra por debajo de una cierta
temperatura. Una gran cantidad de fallas
catastróficas de los primeros barcos con cascos
soldados producidos en la Segunda Guerra
Mundial, se debieron a este fenómeno, debido a que
la temperatura de transición dúctil frágil de los
aceros y soldaduras es apenas arriba de los cero
grados centígrados. Desde entonces la transición
dúctil frágil ha recibido gran atención.
Cuando la fractura resulta de la aplicación de cargas
repetitivas o fluctuantes, o bien transcurre en un
tiempo largo se le denomina Fractura Dinámica,
progresiva o retardada, clasificándose en: 1)
Fatiga, cuando la fractura resulta de la aplicación de
cargas repetitivas o fluctuantes. 2) Agrietamiento
por termofluencia, que es la propagación de grietas
en un material que se deforma a través del tiempo;
y 3) Agrietamiento por corrosión y esfuerzos, el
cual es un agrietamiento lento por la acción
sinergética de la acción de una carga operando en
un ambiente corrosivo.
Las fracturas también se clasifican por la
trayectoria de la grieta como: a) Intergranular,
cuando la propagación sigue los límites de grano, y
b) Transgranular, la cual se propaga a través de los
granos, subdividiéndose en cristalina y no
cristalina.
Sus resultados indican que la aleación FeMnAlC
posee excelentes propiedades mecánicas y buena
resistencia a la fractura.
Figura 1: Curva esfuerzo deformación del sistema
Fe–32Mn–10Al–1.07C–0.36Mo para diferentes
impactos [2].
3. DEFORMACIÓN Y FRACTURA DE LOS
ACEROS FeMnAlC
W. C. Cheng[1], encuentra que cuando la aleación
Fe-23.0Mn-7.4Al-0.03C al ser sometida a un
tratamiento de temple desde una temperatura 1100
0
C en donde ella presenta una estructura únicamente
BCC (fase _, con mayor presencia de Al y menor
presencia de Mn), aparece una tensión debida al
proceso térmico, causando fractura intergranular;
mientras que cuando a la aleación se le realiza el
mismo procedimiento de temple desde una
temperatura de 1050 0C, en donde presenta una
estructura dual FCC y BCC (fase _, con menor
presencia de Al y mayor presencia de Mn),
aparecen deformaciones plásticas que minimizan el
comportamiento a fractura ocasionada por el
proceso térmico.
S.T. Chiou[2][3], reporta comportamiento de
esfuerzos deformación (Figura 1), fluencia y
fractura (Figura 2), y sobre el trabajo por
endurecimiento (Figura 3) de la aleación
Fe–32Mn–10Al–1.07C–0.36Mo bajo distintos
impactos de deformación. Se encuentra que la
densidad de dislocaciones aumenta linealmente con
el incremento del impacto y el comportamiento a la
fractura, y aunque con pequeños planos de clivaje,
posee principalmente un comportamiento dúctil.
Figura 2: Valores de Esfuerzo de fluencia y de
fractura del sistema
Fe–32Mn–10Al–1.07C–0.36Mo para diferentes
velocidades de deformación [3].
Figura 3: Efecto de la velocidad de deformación
sobre el fortalecimiento de la aleación
Fe–32Mn–10Al–1.07C–0.36Mo [3].
O. Acselrad[4], realiza una comparación de dureza y
respuesta a la fractura para distintos tratamientos
térmicos de la aleación Fe-28Mn-8.5Al-1C-1.25Si,
encontrando mejores respuestas para la aleación
solubilizada y luego envejecida por 15 horas a una
temperatura de 550 0C. Este proceso térmico, da
lugar a la aparición de una fina distribución de
carburos Fe3AlC que origina un mejor
comportamiento en el proceso esfuerzo
deformación sin la aparición de acritud. El
investigador hace la observación de que los
resultados mostrados de resistencia a la fractura no
permiten una buena confiabilidad de la aleación en
estudio para ser aplicaciones críticas.
Resultados más recientes expuestos por B.X.
Huang[5], revelan de igual modo un comportamiento
de pérdidas mecánicas al aumento de temperatura
para la aleación
Fe-23Mn–2Si–2Al–Nb, sus
conclusiones le llevan a inducir una perdida de
plasticidad debido a deformaciones de grano.
(Figura 4)
Figura 4: Valores de Resistencia a Tensión y
Puntos de Fluencia del Fe–23Mn–2Si–2Al–Nb con
respecto a la temperatura [5].
Uno de los primeros reportes de fractura dinámica
para los FeMnAlC fue realizado por N.J. Ho[6],
quien analiza la aleación Fe-29.7Mn-8.7Al-1C con
varios procesos de envejecido, reportando mejores
resultados de tenacidad (Figura 5) y fatiga (Figura
6) para el tratamiento térmico a 550 0C que
conlleva a precipitaciones de Fe3AlC.
Se explica que la baja respuesta de la aleación
envejecida a 710 0C es debida a la precipitación de
manganeso que ocasiona fractura frágil.
En otro reporte de fatiga, basado en el estudio de la
aleación Fe-30Mn-5Al-0.4C, realizado esta vez por
H.L. Huang[7], se explica la propagación de fractura
debido a la existencia de un movimiento de
dislocaciones tipo planar al principio de las grietas,
y movimiento de dislocaciones tipo ondulatorio al
final de ellas.
Figura 5: Comportamiento de esfuerzo
deformación del Fe-29.7Mn-8.7Al-1C
para distintos procesos de envejecido [6].
Figura 6: Comportamiento a fatiga del Fe-29.7Mn8.7Al-1C para distintos procesos de envejecido [6].
Los primeros resultados de termofluencia en
FeMnAlC, fueron reportados por J.C. Benz[8],
usando una aleación Fe-30Mn-8Al-1.0C a 650 0C,
posteriormente fue L.V. Sordi[9] quien analizó la
aleación en termofluencia para un rango de
temperatura entre 500 0C a 800 0C, variando la
carga de 30 MPa hasta 560 MPa, encontrando
ruptura del material para un tiempo de exposición
por encima de 810 horas para los distintos procesos.
El mismo Sordi, veinte años después, [10] muestra un
comportamiento de termofluencia para el
Fe–34.5Mn–9.2Al–1.8Si–0.95C que coincide para
el comportamiento FeMnAlC mostrado por varios
investigadores[11][12][13] (Figura 7) y para el
comportamiento del acero 304 mostrado por
Pink[14] Todos estos comportamientos son acordes
al modelo teórico expuesto Manson-Succop (Figura
8) explicado por R. Viswanathan[15], mostrando
para distintas temperaturas una respuesta de ruptura
que se acerca a las 104 horas.
obtenidas de un acero para herramienta y otro acero
inoxidable, el AISI 304 (Figura 10). Se encuentra
que de acuerdo al proceso térmico empleado,
aparece una estructura FeMnAlC que al mismo
tiempo es caracterizada por su comportamiento al
desgaste y sus respuestas mecánicas.
Figura 7: Valores de ruptura para el FeMnAlC
encontrados por varios autores [11-14].
Figura 8: Predicción del tiempo de ruptura de
acuerdo a Manson-Succop[16].
La explicación a los comportamientos se basa en el
cambio estructural del sistema FeMnAlC. Antes del
tratamiento de termofluencia la muestra es
totalmente austenítica, posteriormente a
temperaturas entre los 500 0C a 600 0C, se
encuentra con notoriedad una fase ferrítica en las
fronteras de grano de las fases austeníticas; y entre
700 0C a 800 0C, la fase ferrítica es detectada
tenuemente. De igual manera, se aprecia la
aparición de carburos tipo AlFe3C entre los 500 oC
a 700 oC que ocasiona una reducción del
comportamiento dúctil del agrietamiento[16] (Figura
9). La aparición de estos tipos de carburos en el
mismo rango de temperatura, ha sido también
confirmada anteriormente [17][18].
O. Acselrad[19], presenta un completo análisis de las
características estructurales obtenidas en los
distintos procesos térmicos a los cuales se procede
a someter la aleación FeMnAlC con respecto a sus
distintos comportamientos de dureza y desgaste,
haciendo también comparación, con las respuestas
Figura 9: Aleación FeMnAlC: a) antes de las
pruebas la fase es totalmente austenítica; b) a 500
0
C, en donde se aprecia la fase austenítica; c) a 500
0
C, donde la fase ferrita aparece en menor grado [16].
Figura 10: Comportamiento al Desgaste y Dureza,
para las distintas aleaciones y tratamientos
térmicos. AISI 304: Acero inoxidable, COM:
FeMnAlC comercial, L1SOL y L2SOL: Dos
aleaciones FeMnAlC homogenizadas y templadas,
L1CC: FeMnAlC con enfriamiento controlado,
AGED: FeMnAlC envejecida, AISI M2: Acero de
herramienta[19].
4. CONCLUSIONES
De esta investigación se pueden sacar varias
conclusiones importantes para la aleación
FeMnAlC:
•
•
•
•
•
[2]
[7]
H.L. Huang, N.J. Ho.
(2000) 235–241
[8]
J.C. Benz, J.R. Leavenworth, J. Met. (March)
(1985) 36–39.
[9]
V.L. Sordi, L.O. Bueno, Proceedings of the 41st
ABM Annual Conference, Sao Paulo (SP),
Brazil, (1986), pp. 347–363.
[10]
V.L. Sordi, L.O. Bueno. Mater. Sci. Eng. A
(2007), doi:10.1016/j.msea.2006.12.182
[11]
L.O. Bueno, in: I.A. Shibli, S.R. Holdsworth, G.
Merckling (Eds.), Proceedings of ECCC 2005
Creep Conference, London UK, (2005), pp.
969–980.
[12]
S.K. Banerji, The 1982 Status Report on
Fe–Mn–Al Steels Research and Development,
Foote Mineral Company internal Report,
October (1982).
Mater. Sci. Eng A293
.
R.J. Truman, R.P. Harvey, R.F. Johnson, J.N.
Smith, Proceeding Conference of BISRA/ISI,
Publ. 97, The Iron & Steel Institute, (1967), pp.
265–300.
[14]
E. Pink, Mater. Sci. Technol. 10 (1994)
340–344.
[15]
R. Viswanathan, Damage Mechanisms and Life
assessment of High Temperature Components,
ASM International, Metal Park Ohio USA,
(1993).
W.C. Cheng, Y. C. Lin, C.F. Liu. Mater. Sci.
Eng A343 (2003) 28-35
[16]
V.L. Sordi, L.O. Bueno. Mater. Sci. Eng. A
(2007), doi:10.1016/j.msea.2006.10.194
S.T. Chiou, W.C. Cheng, W.S. Lee.
Sci. Eng A 392 (2005) 156–162
[17]
S.K. Banerji, Met. Prog. 113 (1978) 59–62.
[18]
G.E. Hale, A.J Baker, in: G.R. Smolik, S.K.
Banerji (Eds.), TMS, Warrendale, PA, (1987)
67
[19]
O. Acselrad, A. R. de Souza, I. S. Kalashnikov,
Mater.
[3]
S.T. Chiou, W. C. Cheng, W.S. Lee. Mater. Sci.
Eng A 386 (2004) 460–467
[4]
O. Acselrad, J. Dille, L.C. Pereira and J.L.
Delplancke. Metalurgia and Material
Transactions. Vol. 35A, Dec. 2004-3863
[5]
N.J. Ho, C.M. Chen and S.C. Tjong. Scrip.
Metall, Vol. 21 (1987) 1319-1322
[13]
•
[1]
Cada proceso térmico da lugar a una
microestructura específica.
Cada una de estas distintas
microestructuras logradas muestra a su vez
comportamientos tribologicos diferentes.
El tratamiento de envejecimiento
convencional no da lugar a una buena
respuesta tribológica.
El tratamiento de enfriamiento controlado
muestra que los resultados del
comportamiento al desgaste de las
aleaciones FeMnAlC, son incluso mejores
que las respuestas al desgaste ofrecidas por
los dos aceros comparados.
Se encontró que una condición que
favorece la fragilidad de los aceros es la
alta velocidad de deformación e impacto,
siendo los materiales de estructura
cristalina FCC los que no presentan
transición dúctil frágil por lo que son aptos
para soportar grandes impactos a bajas
temperaturas. Los materiales de estructura
cristalina BCC limitan su uso en la región
de alta tenacidad.
bajo adecuadas condiciones térmicas de
preparación, se obtienen óptimas
propiedades microestructurales en las
aleaciones FeMnAlC, de tal forma que sus
respuestas mecánicas y de desgaste
posibilitan excelentes aplicaciones
alternativas para la industria.
[6]
S.S. Camargo. Wear 257 (2004) 999–1005
B.X. Huang, X.D. Wang, Y.H. Rong, L. Wang,
L. Jin. Materials Science and Engineering A
438–440 (2006) 306–311