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VIII Congreso Nacional de Propiedades Mecánicas de Sólidos, Gandía 2002 87-96

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ESTUDIO DE LA CONTRIBUCIÓN DE LAS FASES A LASPROPIEDADES MECÁNICAS EN ACEROS CON ESTRUCTURASMIXTAS

R. Rodríguez e I. Gutiérrez

Centro de Estudios e Investigaciones Técnicas(CEIT) yUniversidad de Navarra (Tecnun)Pº Manuel de Lardizábal, 15, 20018 Donostia-San Sebastián, Gipuzkoa, España.

RESUMEN

En el presente trabajo, se ha estudiado el comportamiento mecánico de aceros conmicroestructuras ferrita-perlita y ferrita-martensita. En dicho estudio, además de los ensayos de

tracción se ha determinado mediante metalografía cuantitativa, la fracción volumétrica de cada

fase y sus parámetros microestructurales. Para analizar el comportamiento mecánico de cada fase,

se han utilizado técnicas de nano-indentación. De esta forma, se ha determinado la dureza de

ferrita, perlita y martensita en microestructuras mixtas. Se ha observado que la dureza de la ferrita

se ve afectada por la presencia de martensita en la microestrcutura. Por otro lado, se ha

determinado experimentalmente, el reparto de la deformación entre el componente

microestructural "duro” y “blando” en estructuras ferrito-martensíticas y ferrito-perlíticas.

Palabras clavesReparto de deformación, nanoindentación, aceros bifásicos.

1. INTRODUCCIÓNLa gama de microestructuras producto de la transformación de la austenita que es posible

obtener mediante enfriamientos controlados o tratamientos térmicos en aceros es relativamente

amplia[1]. El desarrollo de productos con propiedades mecánicas a medida para determinadas

aplicaciones, lleva, en ocasiones a la producción de aceros con microestructuras mixtas[2-3]. Es

posible determinar ecuaciones empíricas que relacionen propiedades mecánicas tales como límite

elástico o resistencia a la tracción, de un componente microestructural (ferrita, perlita, bainita,martensita), a partir de parámetros microestructurales y composición química. Sin embargo, en

determinados casos, puede ser necesario predecir el comportamiento mecánico completo en todoel rango de deformación.

En el caso de materiales con microestructuras mixtas que contengan dos o más

componentes de los arriba mencionados, la determinación de las correspondientes ecuaciones es

más compleja y si se pretende calcular la curva tensión deformación del material, es preciso tener

en cuenta como principales factores las propiedades mecánicas y distribución espacial de las

fases así como el reparto de la deformación entre ellas[4-5].

2. PARTE EXPERIMENTALEl material de partida consiste en un acero ferrito-perlítico cuya composición se muestra en

la Tabla 1:



Rodríguez y Gutiérrez

88

Tabla 1. Composición química de la muestra.acero C Si Mn P S Cr Mo Ni Al B N15CMn 0.16 0.25 1.5 0.012 0.004 0.01 0.009 0.01 0.032 0.0005 0.0084

Sobre este material se han realizado tratamientos de temple en agua desde variastemperaturas del rango intercrítico. En todos los tratamientos se ha utilizado atmósfera de argón,

evitando de esta manera, la posible oxidación y descarburación de la muestra.

Se han mecanizado probetas de tracción planas y cilíndricas tanto del material de partida

como tras los tratamientos térmicos realizados. Los ensayos han sido realizados a temperatura

ambiente y con una velocidad de deformación de 10-3

s-1

en una máquina universal de ensayos

Instron. Para cada microestructura fueron ensayadas tres probetas. El límite elástico de cada

muestra ha sido obtenido para un 0.2% de deformación.

Para realizar los ensayos de nanoindentación se ha utilizado un NanoIndenterII,(NanoInstruments, Inc., Oak Ridge, TN, USA). El tratamiento de los datos obtenidos para su posterior

conversión en nanodureza viene descrito por Oliver and Pharr [6]. Los ensayos han sidorealizados con una punta de diamante Berkovich y a una profundidad de 250nm. En cada muestra

ensayada, las nanoindentaciones han sido regularmente distribuidas en matrices de al menos 150

medidas. En la Figura 1 se muestra el aspecto que presenta una de las muestras ensayadas.

Figura 1. Micrografías de SEM de un ensayo de nanoindentación sobre una muestra ferrito-

martensítica. La martensita tiene un aspecto más brillante.

En la preparación de la muestra para el ensayo de nanoindentación, después de pulir con

diamante de hasta 1µm, se ha continuado puliendo con sílice de 0.3µm hasta conseguir un ligero

ataque que nos permita distinguir la microestructura en el microscopio electrónico de barrido. De

esta forma, una vez realizado el ensayo, se identifica a qué fase corresponde cada una de lasnanoindentaciones y se determina la dureza media de cada una de las fases constituyentes. Estosensayos han sido realizados tanto en muestras sin deformar como en probetas de tracción ya

ensayadas.Otro de los puntos que se ha estudiado ha sido el reparto de deformaciones entre las fases.

Para determinar el reparto de deformación en la zona del alargamiento uniforme, se han hecho

medidas de deformación “in situ”. Para tal fin, se han marcado varias zonas en una de las caras de

una probeta plana de tracción que ha sido previamente pulida y atacada. Una vez preparada la

muestra, se ha ido interrumpiendo el ensayo de tracción a diferentes grados de deformación. En

cada una de estas interrupciones se han ido sacando micrografías de las zonas marcadas. De esta



VIII Congreso Nacional de Propiedades Mecánicas de Sólidos

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forma, se puede comparar la deformación de cada una de las fases con la deformación total de la

muestra.

Para medir el reparto a altas deformaciones, en zonas donde ya ha empezado a darse la

estricción, se ha seguido el método descrito por Balliger and Gladman[7], que consiste en medirel tamaño de grano o de isla en varias secciones de una probeta de tracción ya ensayada. De esta

forma se compara la evolución de la forma de las fases con la deformación plástica de la muestra.

3. RESULTADOS.La microestructura de la muestra original va variando con la temperatura del tratamiento

térmico aplicado. En la Figura 2 se muestran algunas de las microestructuras obtenidas en los

diferentes tratamientos.

a)

d)c)

b)

a)

d)c)

b)

Figura 2. Micrografía de microscopio óptico del acero 15CMn. a) muestra original;

b) 730ºC, 20 minutos; c) 780º ,C 20 minutos; d) 800ºC, 20 minutos. Las zonas mas clarasson de ferrita.

La figura 2a) muestra la microestructura inicial del acero de partida. Puede observarse una

estructura bandeada constituida por granos de ferrita (en claro) y bandas de perlita (en oscuro).

En la figura 2b) se muestra la microestructura resultante tras un tratamiento térmico a 730ºC

durante 20 minutos, seguido de temple en agua. Esta microestructura presenta la misma

distribución de bandas que la de partida. La diferencia entre las dos es que, como se puede

observar en las micrografías de SEM de la Figura 3, las regiones iniciales de perlita (zona de

aspecto laminar) han sido sustituidas por martensita.




90

a) b)a) b)Figura 3. Micrografías de SEM de a) muestra original, ferrita y perlita(zona de aspecto

laminar) b) Tratamiento a 730ºC durante 20min. Con el tratamiento la perlita ha sido sustituidapor martensita(primer plano).

En este caso ni la fracción volumétrica de ferrita, f α, ni el tamaño de grano de ferrita, Dα, se

ven significativamente afectados. En cambio, a medida que aumenta la temperatura del

tratamiento, estos dos parámetros van disminuyendo. Esto puede apreciarse mas claramente en laTabla 2, donde también vienen incluidos otros parámetros microestructurales como son las

fracciones volumétricas de perlita y martensita, f p y f m respectivamente, el espaciado interlaminar

de perlita, λ.Tabla 2. Parámetros microestructurales y propiedades mecánicas de los diferentes tratamientos

térmicos.Muestra Tratamiento f αα f p f m Dαα (µµm) λ(µλ(µm) σσy σσu

15CMn Muestra original 0.66 0.34 0 13 0.22 323 502

15CMn 730ºC 20min+WQ 0.65 0.35 12 418 841

15CMn 740ºC 20min+WQ 0.58 0.42 11.2 390 927

15CMn 780ºC 20min+WQ 0.43 0.57 9.6 493 1055

15CMn 800ºC 20min+WQ 0.10 0.90 3.2 534 1060

15CMn 925ºC 20min+WQ 100 1025 1354

Se han utilizado ensayos de nanoindentación para el estudio de la variación de la dureza de

las fases constituyentes en función de la composición microestructural de la muestra. Losresultados obtenidos se muestran gráficamente en la Figura 4. Se ve claramente que hay un

importante aumento de la nanodureza cuando la perlita es sustituida por martensita. El ejemplo

más claro se tiene en el tratamiento a 730ºC durante 20 minutos, observándose que la banda de

martensita tiene una dureza de alrededor de 9 Gpa, mientras que la dureza de la banda de perlita

es del orden de 3 Gpa.

Como se ha comentado anteriormente, a medida que aumenta la temperatura del

tratamiento, aumenta el porcentaje de martensita. Se ve claramente que con el aumento de la

fracción volumétrica de esta fase, disminuye su nanodureza. Se puede también apreciar que tienelugar un aumento de la nanodureza de la ferrita en un 20-25% cuando pasa de estar acompañada

de perlita a estarlo de martensita




91

muestraoriginal

730ºC 20m 760ºC 20m 780ºC 20m 925ºC 20m

ferrita0

2

4

6

8

10

H ( G P a )

ferrita

perlita

martensita

Figura 4. Representación grafica del valor de nanodurezas de cada fase en diferentes

microestructuras

A pesar que la dureza de la fase martensítica disminuye al aumentar su fracción

volumétrica, en la Figura 5 se puede observar cómo la curva tensión-deformación va siendo

desplazada hacia valores más altos cuando aumenta la temperatura del tratamiento térmico.

20M730C

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2

εε

σ

σ (

M P A )

925c20m

20M780C

800C20M

740c20m

muestra original

Figura 5. Curvas tensión-deformación de las microestructuras obtenidas en los diferentestratamientos térmicos.

En la Tabla 2 también se incluyen el límite elástico, σy , y la resistencia a la tracción, σu,obtenidos a partir de los ensayos. Puede comprobarse que hay un claro incremento de estos

parámetros con el contenido en martensita.

El ensayo de tracción da información sobre el comportamiento mecánico del material pero,

para el caso de un acero con microestructura mixta no permite separar la contribución de cada

uno de los constituyentes. Con el fin de determinar este comportamiento, se ha estudiado la

evolución de la nanodureza de las fases en función de la deformación plástica global de la

muestra. Estas medidas se han realizado sobre muestras de tracción con diferentes grados de




92

deformación. Los resultados obtenidos se muestran en la figura 6. En la primera gráfica se

representan los datos de las muestras ferrito-perlíticas, apreciándose que, en ambas fases, al

deformar la muestra se produce un claro incremento de la nanodureza. En las muestras ferrito-

martensíticas, la ferrita también experimenta un endurecimiento cuando el material es deformado.En cambio, en la martensita esta tendencia no es clara, observándose incluso un ligero

ablandamiento

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3

εεp muestra

H ( G P a )

ferrita

perlita

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1

εεp muestra

H ( G P a )

martensita. 15CMn 730ºC20m+WQ ferrita. 15CMn 730ºC20m+WQ

martensita. 15CMn 780ºC20m+WQ ferrita. 15CMn 780ºC20m+WQmartensita. 15CMn 925ºC20m+WQ

a) b)

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3

εεp muestra

H ( G P a )

ferrita

perlita

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1

εεp muestra

H ( G P a )

martensita. 15CMn 730ºC20m+WQ ferrita. 15CMn 730ºC20m+WQ

martensita. 15CMn 780ºC20m+WQ ferrita. 15CMn 780ºC20m+WQmartensita. 15CMn 925ºC20m+WQ

a) b)Figura 6. Evolución del valor de nanodureza frente a deformación plástica de la muestra a) en

aceros ferrito-perlíticos, b) en aceros ferrito-martensíticos.

La diferencia en la resistencia mecánica entre fases, va a condicionar el reparto de

deformación entre ellas. Como se ha comentado anteriormente, se ha determinadometalográficamente el reparto de deformación plástica global de la muestra. En la figura 7, se

muestran dos micrografias de SEM tomadas sobre una misma zona del acero ferrito-perlítico. La

diferencia entre ambas micrografías es que una ha sido sometida a deformación.

a) b)a) b)

Figura 7. Micrografías de SEM de una misma zona de una muestra ferrito-perlítica. a) Sin

deformación y b) ε=0.15. Las zonas oscuras corresponden con la fase ferrítica.

Se han realizado medidas de alargamiento de cada una de las fases a diferentes grados de

deformación. Estas medidas se han comparado con la deformación plástica total de la muestra enla figura 8.




93

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25εεzz(muestra)

ε ε z z

ferrita

muestraperlita

ley de mezclas

Figura 8. Deformación de las fases frente a la deformación plástica total de una muestra ferrito-

perlítica.

Se observa claramente que hay una mayor deformación de la ferrita, aunque en las medidas

hechas a mayores deformaciones la diferencia de deformación entre ambas fases tiende adisminuir.

También se han realizado medidas en el acero con estructura ferrito-martensíticaobservándose que prácticamente toda la deformación plástica de la muestra se concentra en la

fase ferrítica, algo lógico, si se tiene en cuenta la gran diferencia de dureza que hay entre las dos

fases.

4. DISCUSIÓN

En el mantenimiento de la muestra a altas temperaturas, parte de ella transforma a austenita.La cantidad de austenita(γ) formada dependerá de la temperatura y el tiempo de mantenimiento.

Debido al alto contenido en carbono que tiene la perlita, la temperatura de transformaciónaustenítica es mucho menor que la de la ferrita. Por ello, será esta fase la primera que transforme

a austenita cuando la muestra es calentada justo por encima de la temperatura de transformación

eutectoide. Se ha observado en el tratamiento realizado a 730ºC, que en función del tiempo de

mantenimiento se puede conseguir una transformación total o parcial de la perlita a austenita. El

temple en agua hace que la austenita formada transforme a martensita, obteniéndose una

estructura constituida por ferrita y martensita (figura 2b) con unas fracciones volumétricas

similares respectivamente a las de ferrita y perlita de la muestra original, ver Tabla 2. Al

incrementar la temperatura del tratamiento, aumenta la fracción volumétrica de austenitaformada, viéndose afectada no sólo la banda de perlita sino que también la ferrita, por lo que se

pueden obtener diferentes combinaciones de ferrita y martensita, mediante diferentes tratamientos

térmicos. La martensita es una fase metaestable de elevada dureza, por lo que al aumentar su

fracción volumétrica se ven incrementadas las propiedades mecánicas del conjunto, ver figura 5.

Las características mecánicas de la martensita dependen de su contenido en carbono. Hay

diferentes expresiones en la bibliografía que expresan el límite elástico de la martensita en

función de dicho contenido. Un ejemplo lo constituye la siguiente expresión propuesta por

Cohen[8]

2

1

1800290 C m

y+=σ (1)




94

Teniendo en cuenta que en la muestra tratada durante 20 minutos a 730ºC, sólo la banda de

perlita inicial ha transformado a martensita, se puede suponer que el contenido en carbono de esta

última fase es el mismo que el de perlita de partida. Pero a medida que se aumenta la temperatura

de los tratamientos, la misma cantidad de carbono se distribuye en una cantidad mayor demartensita, de tal forma que el porcentaje de este elemento en la fase dura disminuye. Aunque

esto provoca un ablandamiento de la fase martensítica, ver ensayos de nanoindentación (Figura

4), el efecto global en la muestra es un aumento de las propiedades mecánicas del material debidoal incremento en la fracción volumétrica de la fase dura, ver Figura 5.

En la Figura 6, se muestra la evolución de la nanodureza con la deformación global de la

muestra en estructuras ferrito-perlíticas y ferrito-martensíticas. Se observa que en las primeras,

tanto la dureza de la ferrita como la de la perlita aumentan conforme se deforma el material, no

apreciándose el mismo efecto en las ferrito-martensíticas.

En los ensayos de nanoindentación en probetas sometidas a tracción(figura 6), las fases

ferrita y perlita experimentan un previsible endurecimiento por deformación plástica de las

muestra, lo cual sería equiparable al endurecimiento por deformación que se da en los ensayos detracción. En cambio, aunque en microestructuras ferrito-martensíticas o totalmente martensíticas

se produce un endurecimiento de la ferrita análogo al anterior, los valores de lananoindentaciones en martensita permanecen constantes o incluso descienden ligeramente. El

ligero ablandamiento observado se explica por la falta de deformación de la fase martensítica y

por la formación de microgrietas que falseen la medida.

El aumento en valor de la nanodureza que tiene lugar en la ferrita cuando pasa de una

microestructura ferrito-perlítica a una microestructura ferrito-martensítica también influirá en las

propiedades mecánicas. Este incremento parece ser debido a que en la transformación

martensítica, la austenita experimenta un aumento de volumen de, aproximadamente, el 3%, lo

que conlleva un considerable aumento de la densidad de dislocaciones alrededor de los núcleos

de martensita[10].El estudio realizado sobre el reparto de la deformación tanto en estructuras ferrito-perlíticas

como en ferrito-martensíticas, se pone claramente de manifiesto que la ferrita, que en ambas

estructuras es la fase blanda, se deforma preferentemente, Figura 8. En el caso de las estructuras

ferrito-perlíticas, la perlita también sufre un cierto grado de deformación como lo demuestran las

medidas microscópicas realizadas y el estudio de la evolución de nanodureza de esta fase cuando

la muestra es deformada.

Al sustituir la perlita por martensita, la relación de nanodurezas entre la fase dura y blanda

pasa de ser aproximadamente 1.5 a 4. Por ello no es de extrañar que en el acero ferrito-

martensítico, donde la martensita tiene un alto contenido en carbono, se pueda llegar a un punto

en el que sea la fase blanda la única que se deforme. A pesar de que no se ha detectado

deformación de la martensita, en el SEM se han localizado microgrietas y fragmentaciones de susislas, lo que provoca una importante perdida de la ductilidad del material. Estas fragmentaciones

de las isla de martensita pueden ser observadas en la Figura 9.




95

a) ba) ba) bFigura 9. Micrografias de SEM de una misma zona de un acero ferrito-martensítico. a) Sin

deformación y b) ε=0.055. Se pueden apreciar la aparición de microgrietas.

5. CONCLUSIONESLos tratamientos de temple en agua a temperaturas intercríticas realizados sobre el material

dan lugar a una transformación parcial o total de las fases ferrítica y perlítica a martensita. Lacantidad de martensita formada depende de la temperatura y el tiempo del tratamiento, siendo la

fase perlítica la primera en transformar. Se han realizado medidas de nanoindentación y del

reparto de deformación para estudiar el comportamiento mecánico de las fases a medida que va

cambiando la microestructura.

El valor de nanodureza de ferrita aumenta cuando pasa de estar en una estructura ferrito-

perlítica a estarlo en una ferrito-martensítica. También hay un importante aumento cuando laperlita es sustituida por martensita. Con el incremento de la fracción volumétrica de martensita,

disminuye la nanodureza de esta fase debido a que disminuye su contenido en carbono. A pesar

de ello la resistencia a la tracción del material aumenta. Al deformar la muestra se observa un

incremento de la nanodureza de las fases ferrítica y perlítica.En un acero ferrito-perlítico, la deformación de la fase ferrítica es mayor que la de la fase

dura. De la misma forma, en aceros ferrito-martensíticos, donde la relación entre las durezas es

mayor, la concentración de la deformación se concentra en la fase blanda, no apreciándose ni

deformación ni endurecimiento de la martensita.

6. AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen a la Comunidad Europea (Proyecto CECA 7210.PR/166) y laCICYT por la financiación del presente trabajo.

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96

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Vol. 7, No. 6, June 1992.7. N. K. Balliger and T. Gladman. Work hardening of dual-phase steels. Metal Science,

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8. Morris Cohen. The Strengthening of Steel, Transactions of the metallurgical society of

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