Propiedades mecánicas y microestructurales del hierro Armco sometido a severa deformación plàstica mediante presión en canal angular de sección constante (ECAP)

Abstract

Ultrafine grain size Armco iron has been obtained through severe plastic deformation through equal channel angular pressing (ECAP) at room temperature, using a die with interna! angle et> = 90 º, and an angle 4J = 37 º defining the outer are of curvature where the two channels intersect. Material was processed following the route BC with different number of passes (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 and 16 passes). Microstructural characterization was carried out using different techniques such as EBSD, TEM, X-ray and TEM-EBSD. For the mechanical response of the ECAP processed material with respect to the annealed one, hardness, uniaxial tension, high cycle fatigue and fracture toughness tests were performed. To understand better the thermal stability of the deformed material differential scanning calorimetry (DSC) tests and also various annealing heat treatments together with tensile tests were performed for the sixteen ECAP passes material in arder to increase its ductility. Different theoretical models were used to study the strain hardening behavior of the ECAP processed material. The development of a new model that predicts the evolution of the fraction of HAGB with deformation is presented by the author. Microstructural examination revealed the reduction in grain size with the increase in the fraction of high angle grain boundaries at increasing deformation. The grain morphology (aspect ratio) together with the values of the geometrically necessary dislocation density far the material with sixteen passes showed the possibility of a further reduction in grain size obtaining a microstructure with larger fractions of HAGB through application of greater deformation in a different route. The textures obtained after each pass have predom inant orientations with continuous distributions along the orientation fibers with simple shear texture. According to the mechanical tests the material strength increases with increasing deformation up to - 3 times with respect to annealed material. Sim ilarly, the fatigue resistance of the material with eight passes is increased by over 190% campared with the annealed material. A good resistance to fracture toughness was found for material with eight passes by the linear elastic fracture mechanics. The thermal study of the material showed that the main contribution to the stored energy carne from the vacancies, being therefore these primarily responsible far the saturation of the dislocation density. Finally, the study of the strain hardening capability in the ECAP deformed material revealed the existence of two hardening stages characterized by an initial stage of higher hardening followed by a second stage with lower hardening. The reduction in the hardening capacity for large deformations (stage IV) greatly depends on the reduction in the cell walls volume fraction with the increasing deformation. The proposed model to predict the fraction of HAGB with deformation presented good fits for different types of metallic materials processed by severe plastic deformation.

Se ha obtenido Hierro Armco con tamaño de grano ultrafino ha sido obtenido a través de deformación plástica severa por medio de extrusión en canal angular de sección constante (ECAP) a temperatura ambiente, utilizando una matriz con ángulo interno <1>=90º, y un ángulo de 4-1=37° que define el arco externo de curvatura donde los dos canales se interceptan. El material fue procesado siguiendo la ruta de BC a diferentes números de pases (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 y 16 pases). La caracterización microestructural se llevó a cabo mediante diferentes técnicas como: EBSD, TEM, Rayos-X y TEM-EBSD. Para conocer la respuesta mecánica del material procesado por ECAP con respecto al material inicial se realizaron ensayos mecánicos de dureza, de tracción uniaxial, de fatiga de alto número de ciclos y de tenacidad a la fractura. Para conocer la estabilidad térmica del material deformado se efectuaron ensayos de calorimetría diferencial de barrido DSC y además se realizaron diferentes tratamientos térmicos de recocido junto a ensayos de tracción se realizaron para el material con dieciséis pases con el propósito de incrementar la ductilidad del material. Se emplearon diferentes modelos teóricos se emplearon para estudiar el endurecimiento por deformación del material procesado por ECAP así como el desarrollo de un nuevo modelo que predice la evolución de la fracción de HAGB con la deformación. El estudio microestructural reveló la reducción en el tamaño de grano junto con el incremento en la fracción de bordes de grano de ángulo grande al progresar la cantidad de deformación aplicada. La morfología del grano (relación de aspecto) junto a los valores de la densidad de dislocaciones geométricamente necesarias para el material con dieciséis pases mostró la posibilidad de poder impartir una mayor reducción en el tamaño de grano obteniendo una microestructura con mayores fracciones de HAGB mediante aplicación de mayores deformaciones y con cambio en el modo de deformación. Las texturas obtenidas después de cada pasada presentan orientaciones predominantes con distribuciones continuas a lo largo de fibras de orientación con textura de corte simple. Según los ensayos mecánicos la resistencia del material se incrementa con la deformación hasta alcanzar un incremento en la resistencia de -3 veces con respecto al material recocido. De igual manera la resistencia a la fatiga para el material con ocho pases se incrementó más del 190% con respecto al material inicial recocido. Un buen comportamiento a la tenacidad a la fractura fue encontrado para el material con ocho pases mediante la mecánica de la fractura elástica lineal. El estudio térmico de material mostró que la principal contribución a la energía almacenada del material provenía de las vacancias siendo por lo tanto estas las principales responsables de la saturación en la densidad de dislocaciones. Finalmente el estudio de la capacidad de endurecimiento por deformación del material deformado por ECAP reveló la existencia de dos etapas de endurecimiento caracterizadas por una etapa inicial de mayor endurecimiento seguida por una segunda etapa de menor endurecimiento. La reducción en la capacidad de endurecimiento para grandes deformaciones (etapa IV) depende en gran medida de la reducción en la fracción volumétrica de las paredes celulares con el incremento en la deformación. El modelo propuesto para predecir la fracción de HAGB con la deformación presentó buenos ajustes para diferentes tipos de materiales metálicos procesados por deformación plástica severa.