Procesado y caracterización de propiedades mecánicas de acero TWIP mediante técnicas pulvimetalúrgicas

Abstract

Twinning induced plasticity (TWIP) steels possess both, very high tensile strength and large elongation together with high formability and an outstanding high strain hardening. The unique combination of its distinctive features makes possible to reduce cross section of components providing as well enhanced impact energy absorption ability, which in turns make them attractive for its commercialization. Nevertheless, their complicated fabrication process has limited the widespread of their industrial production. In this thesis it has been explore whether TWIP steel production is feasible by means of four powder metallurgy processes, as alternative to conventional fabrication route because of the multiple issues presented along the fabrication process of these kind of steels. It has been obtained samples from the mixture of elemental and ferroalloy powders processed by conventional powder metallurgy and by mechanical alloying techniques. It has been obtained samples as well from prealloyed Fe-22Mn-0,4C-1,5Al-1,5Si atomized powder processed through mechanical milling technique and metal injection molding technology. Manufactured bulk samples have been evaluated to determine its consolidation degree. In order to validate obtaining a TWIP steel, chemical composition and X-ray diffraction analyses have been performed, as well as microstructural and mechanical characterization. Microstructural characterization has been carried out by optical microscopy, scanning electron microscopy and EBSD analyses, and the mechanical properties have been evaluated by microhardness and microtensile tests. In general, in the conventional powder metallurgy and mechanical alloying techniques it has been formed complex microstructures due to diffusion and oxidation issues. On the other hand, in the mechanical milling and metal injection molding techniques it has been developed the typical crystallographic phase and microstructure of TWIP steels. However, it has been observed that both, the mechanical milling technique as well as the metal injection molding technology require quite high sintering temperatures in order to achieve the usual relative density of those techniques. In the case of metal injection molding, it has been used a bimodal powder distribution that improved the feedstock packing density in such a way that make it possible to increase the metallic loading for the same flow characteristics. In the final pieces the microtensile test have demonstrated that strain hardening rate vales are sustained along the plastic regime, typical in TWIP steels, due to the activation of mechanical twinning. The tensile strength, yield strength and microhardness values are like those of TWIP steels obtained by conventional fabrication process. Regarding the samples manufactured by mechanical milling, they have had higher strain hardening rate, yield strength and microhardness values, but less ductility. By means of metal injection molding technology it has been possible to manufacture final pieces with microstructural and mechanical properties similar to those obtained by the conventional fabrication route, on the other hand through mechanical milling technique it has been possible to manufacture pieces with higher yield strength that enables them for industrial applications.

Los aceros de plasticidad inducida por maclaje, TWIP por sus siglas en inglés ("TWinning lnduced Plasticity'') combinan una extremadamente alta resistencia con alta ductilidad y formabilidad, y un excepcional endurecimiento por deformación. El conjunto único de sus características distintivas los hace muy interesantes para su comercialización, pues la potencial reducción de peso de un componente metálico se vuelve muy importante cuando se consideran los aceros de muy alta resistencia, y su capacidad de endurecimiento aumenta la energía absorbida por impacto. Sin embargo, la complejidad de su fabricación y procesamiento han limitado la expansión de su producción. En la presente tesis se ha estudiado la factibilidad de fabricación de piezas de acero con efecto TWIP mediante cuatro técnicas pulvimetalúrgicas, para ofrecer vías alternativas a la ruta de fabricación convencional dados los múltiples problemas que se presentan en la producción de este tipo de aceros. Se han obtenido piezas a partir de la mezcla de polvos elementales y de ferroaleaciones procesados mediante las técnicas de pulvimetalurgia convencional y de aleado mecánico. imismo, se han obtenido piezas a partir de un polvo prealeado de composición Fe-22Mn-0,4C-1,5Al-1,5Si obtenido por atomización y procesado a través de la técnica de molienda mecánica y de la tecnología de moldeo por inyección de metales. Se han evaluado las piezas obtenidas para determinar su grado de consolidación. Para validar la obtención de acero TWIP, se han realizado análisis de composición química, de difracción de rayos X y caracterización microestructural y mecánica. La caracterización microestructural se ha llevado a cabo mediante microscopía óptica, microscopía electrónica de barrido y análisis EBSD, y se han evaluado las propiedades mecánicas mediante ensayos de microdureza y de microtracción . En general, en las técnicas de pulvimetalurgia convencional y de aleado mecánico se han formado microestructuras complejas debido a problemas de difusión y oxidación. En las técnicas de molienda mecánica y de moldeo por inyección de metales se han desarrollado la fase cristalográfica y microestructura típicas de los aceros TWIP. Sin embargo, se ha observado que se necesitan temperaturas de sinterización bastante elevadas para conseguir un buen grado de consolidación y las densidades relativas usuales en ambas técnicas. Para el caso de moldeo por inyección de metales, se ha empleado una distribución de polvo bimodal que mejoró la densidad de empaquetamiento en el "feedstock" de manera que fue posible aumentar la carga metálica para unas mismas características de flujo. En las piezas finales los ensayos de microtracción han demostrado que se presentan valores mantenidos de endurecimiento por deformación en todo el periodo plástico, típico de los aceros TWIP, debido a la activación del maclado mecánico. Los valores de resistencia máxima, límite elástico y de microdureza son similares a los de los aceros TWIP obtenidos mediante la técnica de fabricación convencional. Por lo que respecta a las probetas obtenidas por molienda mecánica, estas han presentado mayores valores de endurecimiento por deformación, de límite elástico y de microdureza, pero con menores porcentajes de ductilidad. Mediante la tecnología de moldeo por inyección de metales ha sido posible fabricar piezas acabadas con características microestructurales y mecánicas similares a las obtenidas por la técnica convencional, mientras que mediante la técnica de molienda mecánica ha sido posible fabricar piezas con un límite elástico superior que las habilita para aplicaciones industriales.