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Microestructura y propiedades mecanicas del acero AISI 1016 calibrado procesado por ECAP.

Microstructure and mechanical properties of cold drawn AISI 1016 steel processed by ECAP

Microestrutura e propriedades mecanicas do aco AISI 1016 calibrado processado por ECAP

Introduccion

El acero AISI 1016 es un material economico, de bajo contenido de carbono, muy usado en la fabricacion de partes de maquinaria que no estan sometidas agrandes esfuerzos mecanicos, por ejemplo ejes, eslabones para cadenas, pasadores, bujes cementados, tornilleria corriente, bridas y pinones para transmision de cadena a bajo esfuerzo, entre otros (Selcuk et al. 2003). Las propiedades superficiales de este acero pueden mejorarse por carburizacion, carbo-nitruracion o borurizacion (Selcuk et al. 2003, Icziler & Tabur 2006), por medio de la formacion de una capa superficial que mejore las propiedades del acero tales como la resistencia a la friccion, al desgaste y a la corrosion. Sin embargo, con estas tecnicas el material puede tratarse solamente de forma superficial.

Por otro lado, para modificar las propiedades de este acero en todo su volumen se utiliza el calibrado, que consiste en reducir la seccion de una barra presionandola a traves de una matriz conica (Atienza et al. 2005), lo que implica una deformacion plastica del material. Con la deformacionpor calibrado, la resistencia a la tension y dureza del acero aumentan, mientras la ductilidad y la resistencia al impacto disminuyen. Este proceso es considerado como uno de los metodos mas efectivos y flexibles para mejorar el acabado superficial, obtener dimensiones precisas y propiedades mecanicas especificas (Raji & Oluwole 2011). Adicional a los procesos mencionados, existen otros procesos que modifican las propiedades del acero por medio de la transformacion de su estructura interna, llamados deformacion plastica severa (SPD--Severe Plastic Deformation). En la deformacion plastica severa, los materiales se someten a deformaciones muy grandes para producir tamanos de particula entre 100-1000 nm y estructuras tales como subgranos, dislocaciones y tamanos de cristalito menores a 100 nm, por lo cual se consideran materiales nanoestructurados (Zhu et al. 2004). Dentro de las tecnicas de deformacion plastica severa (Langdon 2008), la deformacion por presion en canal angular de seccion constante (ECAP--Equal Channel Angular Pressing) ha ganado mucha atencion debido a la posibilidad de producir materiales en gran volumen completamente densos y sin poros, con granos en el rango micrometrico o incluso nanometrico (Fan et al. 2013).

De acuerdo a lo anterior, se presenta un estudio sobre la influencia de la realizacion del proceso ECAP en un acero de bajo carbono calibrado, con el fin de evaluar su microestructura y propiedades mecanicas e identificar la posibilidad de mejorar sus propiedades mas alla del proceso de calibrado.

Materiales y metodos

El material usado fue acero de bajo carbono AISI1016 de composicion 0.16% C, 0.8% Mn, 0.2% Si, 0.02% P, 0.012% S y balance Fe. Se utilizo un acero comercial con un grado de calibrado de 55% y diametro de 6 mm. Para realizar el proceso ECAP se utilizo una matriz de dos piezas fabricada con acero D2, con un canal de angulo interno [PHI] = 120[grados] y angulo externo [PSI] = 30[grados], lo que produce una deformacion de ~0.6 en la muestra despues de cada pasada. Se utilizaron barras del acero de 50 mm de largo. Tanto las barras de acero como el canal fueron cubiertas con bisulfuro de molibdeno (Mo[S.sub.2]) para lubricacion. El proceso se realizo a temperatura ambiente usando la ruta Bc hasta cuatro pasadas a una velocidad de procesamiento de 5 mm/min.

Despues del proceso ECAP, se tomaron muestras del plano Y de las barras deformadas, que es el plano paralelo a las caras laterales a la salida del molde. La evolucion de la microestructura se observo usando microscopia electronica de barrido (MEB) en un equipo marca Jeol modelo JSM 6490-LV funcionando a 10 kV Los cambios de fase y el tamano de cristalito se estudiaron usando difraccion de rayos X (DRX) en un equipo X'Pert ProPanalytical funcionando con la siguiente configuracion: [theta] 2[theta] de 10[grados] a 90[grados] con tamano de paso de 0.02[grados], radiacion monocromatica CuKa de longitud de onda [lambda] = 1.5409 [Angstrom], 45 kV y 40 mA.

Los ensayos de tension se realizaron antes y despues del proceso de deformacion usando una maquina universal de ensayos marca HUNG-TA modelo HT. Se utilizaron muestras a lo largo del eje longitudinal de seccion circular de 6 mm de diametro y 24 mm de longitud libre entre mordazas, siguiendo la norma ASTM E8/E8M-11, en la cual se indica que la longitud libre entre mordazas debe ser cuatro veces el diametro de la seccion circular. Los datos se obtuvieron realizando ensayos a una velocidad de 5 mm/min y se presenta el promedio de tres medidas. La microdureza Vickers se midio usando un durometro marca Bowers modelo Esseway 600 utilizando una carga de 50 kg-F y un tiempo de 20 s. Los valores presentados son el promedio de 30 medidas que se tomaron sobre la superficie de muestras tomadas del plano Y, en concordancia con las medidas de difraccion de rayos X.

Resultados

En los patrones de difraccion para las muestras antes y despues del proceso ECAP con diferente numero de pasadas solo se observa ferrita debido a la baja fraccion en volumen de peflita en este acero, en las orientaciones (110, 200, 211), de acuerdo a la base de datos JCPDS 00 006 0696 (Figura 1). No se observan transformaciones de fase despues del proceso ECAP. Sin embargo, se presentan cambios en la intensidad de los picos y en las orientaciones incluso despues de la primera pasada (Gholinia et al. 2000), lo que podria indicar que se produce un refinamiento de la estructura como consecuencia de la subdivision de los granos de Fe (110), lo que produciria granos mas finos en las orientaciones (200, 211).

[FIGURA 1 OMITIR]

El ensanchamiento de los picos presentado para el pico Fe (110) y Fe (200) puede atribuirse tambien al refinamiento de la estructura en esta orientacion (Figura 2). Se observa (Figura 2a) que la intensidad del pico (110) disminuye despues de la primera pasada mientras que la intensidad del pico (200) aumenta, lo que podria atribuirse a la subdivision de granos de Fe (110) y la formacion de nuevos granos en la direccion (200). Se noto el mismo efecto en la orientacion (211).

Con el fin de evaluar el refinamiento de la estructura, se calculo el tamano de cristalito promedio, D, usando la formula de Scherrer y el ancho del pico a la mitad de la altura (FWHM--Full Width at Half Maximum) para cada una de las pasadas. La tecnica de difraccion de rayos X se utiliza para determinar el tamano de cristalito, ya que muchas propiedades de los materiales dependen de este, y su tamano no siempre coincide con el tamano de particula o de grano medido por otras tecnicas (Uvarov & Popov 2013). La formula de Scherrer usada para calcular el tamano de cristalito (Ecuacion 1).

B = [lambda]/L cos [theta] (1)

[FIGURA 2 OMITIR]

Donde: B es el tamano de cristalito aparente, [lambda] es la longitud de onda de la radiacion, Les el ensanchamiento del pico (en radianes) y [theta] es el angulo de Bragg. K es una constante adimensional del orden de la unidad conocida como constante de Scherrer, y su valor depende de la forma del cristalito y de la distribucion de tamanos de cristalito, siendo la forma esferica con simetria cubica la mas comunmente utilizada tomando un valor de K= 0.94. El tamano de cristalito calculado a traves de la formula de Scherrer generalmente es diferente al tamano de particula o tamano de grano, ya que particulas o granos individuales pueden contener varios cristalitos, o dominios con diferentes orientaciones (Uvarov & Popov 2013). Por otro lado, el tamano de cristalito en los metales procesados por SPD obtenido por difraccion de rayos X es equivalente al tamano medio de los dominios que dispersan los rayos de forma coherente. Como consecuencia, la difraccion de rayos X diferencia subgranos incluso si las desorientaciones entre ellos son muy pequenas (Gubicza et al. 2005).

Los resultados obtenidos para el tamano de cristalito, indican un refinamiento de la estructura especialmente en la orientacion Fe (110; Tabla 1).

La microestructura del acero calibrado consiste de granos de ferrita y colonias de periita en contraste claro (Figura 3a). Despues de la primera pasada se observa la deformacion de la microestructura, posiblemente por la subdivision de los granos de ferrita y periita. La microestructura de los aceros de bajo carbono procesados con ECAP se caracteriza por colonias de periita subdivididas y granos de ferrita ultrafinos con alta densidad de dislocaciones de red (Gubicza et al. 2005).

[FIGURA 3 OMITIR]

La resistencia a la tension inicial del acero calibrado se encuentra en el rango reportado para el acero AISI 1016 calibrado. La resistencia a la tension aumenta hasta despues de la segunda pasada, sin embargo, despues de la cuarta pasada cae a un valor por debajo del valor inicial (Figura 4).

[FIGURA 4 OMITIR]

La dureza Vickers para el estado inicial es de nuevo comparable con los valores del acero calibrado, y aumenta gradualmente con el numero de pasadas (Figura 5).

[FIGURA 5 OMITIR]

Discusion

Los resultados obtenidos por medio de DRX indican que es posible un refinamiento de los cristalitos de ferrita en baja extension incluso despues del proceso de calibrado. Durante el proceso ECAP, los granos son refinados debido a la gran deformacion plastica impuesta en cada pasada, y para el caso en particular estudiado se espera que la ferrita, mas blanda que la perlita, experimente una mayor deformacion plastica en su microestructura (Al-Abbasi 2013). Ademas, en las primeras pasadas de ECAP se espera que la ferrita sea refinada por la subdivision sucesiva de las paredes de dislocaciones debido a la operacion de multiples sistemas de deslizamiento (Chen et al. 2012). Los resultados obtenidos para el tamano de cristalito (Tabla 1), indican un refinamiento de la estructura especialmente en la orientacion Fe (110), que disminuyo a 69 nm en comparacion a 83 nm para el acero en su estado inicial. Estos valores para el tamano de cristalito estan de acuerdo con valores reportados para aceros de bajo carbono (Liu et al. 2001, Suzuki et al. 2009) y Hierro (Tao et al. 2002), y tambien para otros metales sometidos a diferentes tecnicas de deformacion plastica severa tales como aluminio (Chang et al. 2001) y aleaciones de aluminio (Bera et al. 2013).

Las imagenes de SEM indican que despues de dos pasadas la perlita se distorsiona severamente por la imposicion de una deformacion muy alta, lo que se debe probablemente a que en los procesos de deformacion plastica severa, la alta deformacion impuesta produce que una proporcion sustancial de la cementita perlitica se disuelva aun a temperatura ambiente (Hong et al. 1999, Vodopivec et al. 2007). Este efecto en el caso particular de estudio se debe a que se parte de un acero calibrado que ya ha sido sometido a una deformacion plastica inicial, y por lo tanto al aplicar el proceso de ECAP el acero es deformado mas severamente. El alto grado de deformacion causa que la mayoria de la perlita se desintegre despues de solo dos pasadas (Shin & Park 2005, Jozef et al. 2010). La formacion de particulas de cementita observada resulta de la disolucion de carbono de la cementita perlifica por el proceso de deformacion plastica severa. Despues de 4 pasadas la perlita es mas severamente distorsionada y no se observan fronteras de grano o detalles microestructurales. En este punto la disolucion del carbono de la cementita se vuelve mas considerable y se espera que haya carbono en exceso en la fase ferrita (Park & Shin 2002).

En el ensayo de tension se observo un aumento en la resistencia a la tension despues de la primera pasada lo que puede deberse al leve refinamiento presentado en la estructura, especialmente en la ferrita. Sin embargo, el aumento en la resistencia a la tension no es comparable con los valores obtenidos al procesar un acero de bajo carbono en estado recocido con ECAP (Marulanda et al. 2013), en el que se puede alcanzar hasta 3 veces el valor inicial. Despues de dos pasadas se produce un aumento adicional en la resistencia a la tension, sin embargo, despues de cuatro pasadas, este cae a un valor por debajo del inicial. Esta disminucion en la resistencia a la tension puede atribuirse a la fragmentacion de las particulas de cementita, lo que produce que la periita pierda particulas y por lo tanto que haya menos obstaculos para el deslizamiento. De acuerdo a esto, la disminucion en la resistencia a la tension estaria principalmente influenciada por la dispersion de las particulas de cementita mas que por la formacion de subgranos. Por otro lado, la deformacion severa a la que se ha sometido el acero en los procesos de calibrado y posterior ECAP podria tener un efecto negativo ya que se pueden producir danos locales tales como micro-grietas y multiples sitios de iniciacion de grietas debido al procesamiento severo de deformacion (Pang et al. 2012), lo que afecta considerablemente la resistencia a la tension del acero calibrado despues de cuatro pasadas. Por otro lado, el endurecimiento en frio o "strain hardening" del metal producido al aumentar la deformacion, hace que el acero se aproxime a la fragilidad. Ya que el material en este punto tiene menos capacidad de deformarse plasticamente, es mas probable que se produzca la fractura del material. Estos resultados estan de acuerdo con los reportados por otros autores (Raji & Oluwole 2013).

El comportamiento presentado para la variacion en la resistencia a la tension, especialmente en la cuarta pasada en la que cae drasticamente, no es el esperado para materiales deformados en frio en los que aumenta el numero de obstaculos para el deslizamiento y por lo tanto, la resistencia a la tension. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que el acero estudiado ya ha sido deformado en frio muy severamente, las particulas de cementita se han fragmentado y esto causaria que el comportamiento no sea el usual.

El aumento presentado en la dureza se atribuye a la disminucion en el tamano de cristalito, y para la cuarta pasada, a la formacion de particulas de cementita resultante de la disolucion de carbono que se vuelve mas considerable con el aumento de la deformacion (Shin et al. 2002), tal como se observa en la figura 3. La distribucion de estas particulas de cementita, mas dura que la ferrita, produce el aumento en la dureza, en tanto que esta misma disolucion de particulas produce que haya menos obstaculos para el deslizamiento, produciendose la disminucion en la resistencia a la tension.

Conclusion

Se presenta la aplicacion de la tecnica de presion en canal angular de seccion constante (ECAP) a un acero de bajo carbono, AISI 1016, en estado calibrado, con el fin de evaluar la posibilidad de mejorar sus propiedades mecanicas despues del proceso de calibrado. Los resultados muestran que es posible mejorar la resistencia a la tension hasta despues de dos pasadas en el proceso ECAP. Sin embargo, despues de cuatro pasadas, cuando la deformacion impuesta sobre el acero es demasiado severa teniendo en cuenta el estadio inicial de calibrado, la resistencia a la tension disminuye incluso a un valor que se encuentra por debajo del valor inicial. Esto se debe a que deformaciones demasiado altas causan en este tipo de acero la disolucion de la cementita perlifica formandoparticulas de cementitay un exceso de carbono en la fase ferrita. La distribucion de estas particulas de cementita, mas dura que la ferrita, produce el aumento en la dureza, en tanto que esta misma disolucion de particulas produce que haya menos obstaculos para el deslizamiento, dandose la disminucion en la resistencia a la tension. Ya que el refinamiento presentado en la estructura es leve, la variacion en las propiedades mecanicas se atribuye principalmente a la dispersion de particulas de cementita. Sin embargo, debido a que el comportamiento de la resistencia a la tension no es el usual para aceros deformados en frio, esto podria ser objeto de frituras investigaciones, apoyadas en tecnicas como EBSD (Electron Backscatter Diffraction) o TEM (Transmission Electron Microscopy).

doi: 10.11144/Javeriana.SC19-2.mpma

Agradecimientos

Los autores agradecen el apoyo economico de la Universidad Antonio Narino para el desarrollo de esta investigacion por medio del proyecto "Aceros nanoestructurados obtenidos por deformacion plastica severa", proyecto numero 2011-242.

Conflicto de intereses

Este trabajo no presenta conflicto de intereses.

Referencias

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D.M. Marulanda [correo]. Cuellar, C. Rojas, L.M. Acosta

Electronic supplementary material: Esta version en Espanol
Tabla 1. Tamano de cristalito calculado para la fase
ferrita.

Orientacion   Numero de pasadas   Tamano de cristalito (nm)

110                   0                     83,06
                      1                     68,47
                      2                     61,50
                      4                     69,00
200                   0                     41,60
                      1                     41,10
                      2                     37,15
                      4                     38,58
211                   0                     47,94
                      1                     45,54
                      2                     42,15
                      4                     44,85
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Title Annotation:SUPPLEMENTARY MATERIAL 1-SPANISH VERSION
Author:Cuellar, D.M. Marulanda; Rojas, C.; Acosta, L.M.
Publication:Revista Universitas Scientarum
Date:May 1, 2014
Words:3807
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