Aceros avanzados de alta resistencia de matriz bainítica: Estudio de la transformación de fase y de las relaciones entre procesamiento, microestructura y propiedades mecánicas.

Abstract

Debido a la creciente exigencia de la industria automovilística por aligerar el peso del vehículo e incrementar la seguridad, han surgido nuevos grados de acero de alta resistencia. Los aceros bainíticos libres de carburos, por sus buenas propiedades mecánicas, son candidatos a formar parte de la tercera generación de aceros avanzados de alta resistencia. Este tipo de acero se produce principalmente en forma de chapa en líneas de recocido continuo o galvanizado, por lo que las diferentes variables del proceso influyen de manera notable, tanto sobre su microestructura final como en las propiedades mecánicas. Esta tesis se ha centrado en el estudio de dos aceros bajo carbono con matriz bainitica aleados respectivamente con silicio y cromo. En primer lugar, se han analizado las cinéticas de transformación de ambos aceros durante su permanencia en la región bainítica y se ha estudiado en detalle la evolución microestructural de ambos con las variables del ciclo térmico. Para llevar a cabo este estudio, se han realizado ensayos de dilatometría donde se ha variado la temperatura de austenización, la velocidad de enfriamiento y la temperatura y tiempo de mantenimiento en la región bainitica. Además, ha sido necesario desarrollar una metodología para la preparación metalográfica de las muestras y la cuantificación de las fases que componen la microestructura a través de diferentes técnicas (óptico, FEG-SEM, EBSD y rayos X). En segundo lugar, se han estudiado las propiedades mecánicas de estos aceros atendiendo a tres puntos. En el primero, se ha tenido en cuenta el comportamiento mecánico de cada uno de los microconstituyentes: bainita, martensita de bajo carbono, martensita de alto carbono y austenita retenida. En concreto, se ha medido la dureza a través del empleo de la técnica de nanoindentación y se ha relacionado esta propiedad con las variables del proceso.Con el objeto de profundizar en las relaciones microestructura-proceso-propiedades mecánicas, se han realizado una serie de ensayos de tracción sobre las muestras extraídas de chapas recocidas en el simulador de recocido vertical que posee el CEIT. Estos ensayos, junto a otros ensayos incluidos dentro del proyecto Baseform, proyecto en el que se enmarca esta tesis, han dado lugar a una gran variabilidad de limite elástico, resistencia a la tracción y elongaciones. Esto ha permitido realizar un análisis exhaustivo de las relaciones entre propiedades mecánicas, microestructura y procesamiento. Además de las propiedades a tracción, como tercer punto, se ha estudiado la conformabilidad. La baja conformabilidad en frio y los problemas de agrietamiento de borde de los aceros multifásicos son las principales desventajas que presentan los aceros multifásicos. Por ello, se busca de manera incesante el modo de evitar estos problemas e incrementar la conformabilidad. En este trabajo se han empleado los resultados de los ensayos de expansión de orificio (HET), obtenidos dentro del proyecto Baseform, con ellos se mide de forma indirecta la conformabilidad, con el objeto de relacionar esta propiedad con la microestructura y así mejorarla a través de la optimización de la microestructura. Con el objeto de profundizar en las relaciones microestructura-proceso-propiedades mecánicas, se han realizado una serie de ensayos de tracción sobre las muestras extraídas de chapas recocidas en el simulador de recocido vertical que posee el CEIT. Estos ensayos, junto a otros ensayos incluidos dentro del proyecto Baseform, proyecto en el que se enmarca esta tesis, han dado lugar a una gran variabilidad de limite elástico, resistencia a la tracción y elongaciones. Esto ha permitido realizar un análisis exhaustivo de las relaciones entre propiedades mecánicas, microestructura y procesamiento. Además de las propiedades a tracción, como tercer punto, se ha estudiado la conformabilidad. La baja conformabilidad en frio y los problemas de agrietamiento de borde de los aceros multifásicos son las principales desventajas que presentan los aceros multifásicos. Por ello, se busca de manera incesante el modo de evitar estos problemas e incrementar la conformabilidad. En este trabajo se han empleado los resultados de los ensayos de expansión de orificio (HET), obtenidos dentro del proyecto Baseform, con ellos se mide de forma indirecta la conformabilidad, con el objeto de relacionar esta propiedad con la microestructura y así mejorarla a través de la optimización de la microestructura.Por último, se han realizado ensayos de tracción sobre diferentes geometrías de probeta para estudiar cómo evoluciona la microestructura con la deformación y cómo y dónde se produce el daño en el acero con alto contenido en Si. Se ha analizado la evolución de la austenita retenida, afectada por el efecto TRIP (transformation induced plasticity) y de la matriz bainítica, tanto en la región de deformación uniforme como dentro de la zona de estricción. Además, se ha evaluado los lugares donde se originan las cavidades y como tiene lugar la fractura.

New grades of high strength steels have emerged in response to the growing demand of the automobile industry to lighten the weight and increase the safety. Carbide free steels are candidates to be part of the third AHSS steels due to their good mechanical properties. They are produced in the form of sheet and in a continuous annealing or galvanized, therefore the process conditions have an important influence on the microstructure and mechanical properties. This dissertation is focused on the study of two low carbon steels with bainitic matrix, one alloyed with silicon and another with chromium. Firstly, phase transformation kinetics and microstructural evolution of both steels as function of the process conditions has been analysed. In order to perform this study, dilatometry tests have been performed varying the austenitization temperature, cooling rate and temperature and time in the bainitic region. It was necessary to develop a methodology for the sample preparation and phase quantification with several techniques (optical, FEG-SEM, EBSD, X-ray diffraction).Secondly, the mechanical properties of these steels have been studied according to three points. Firstly, mechanical properties, specifically, the hardness of the phases, which compound the microstructure: bainite, low carbon martensite, high carbon martensite and retained austenite has been measured and associated with the processing conditions. Nanoindentation technique has been used to carry out this study. In order to evaluate the relationship between the microstructure, process conditions and mechanical properties, several tensile tests were carried out on the samples extracted from annealed sheets in the vertical annealing simulator that CEIT has. These tests together with the tests included in the project Baseform, project in which this thesis is framed, have led to a great variability of yield strength, tensile strength and elongation. This has allowed an in-depth analysis of the relationships between mechanical properties, microstructure and processing. In addition, formability has been studied. The low cold-formability and the problem of edge cracking are the principal disadvantages of the multiphase steel. Thus, considerable attention has been paid to the improvement in these properties. In this work, hole expansion test (HET) have been performed, in which formability is measured in an indirect way. These results have been related with microstructure with the purpose of understand the relationship to improving the formability.Lastly, tensile tests on specimens with different geometries have been performed to study how the microstructure evolves with the strain and how and where the damage is produced in high silicon steel. The bainitic matrix and retained austenite evolution have been analysed in the uniform and necking region. Retained austenite is affected by the TRIP effect (Transformation Induced Plasticity). Furthermore, the preferred sites where voids are originated and how the fracture is has been evaluated.