Comportamiento Mecánico de Aceros Sinterizados de Alta Densidad

Abstract

La producción de componentes sinterizados para aplicaciones estructurales ha mostrado un marcado desarrollo en los últimos años. La competitividad de las piezas pulvimetalúrgicas exige obtener componentes de mayores prestaciones a costes razonables. Es ampliamente conocido que uno de los métodos más eficaces para mejorar la respuesta mecánica de los materiales sinterizados consiste en reducir su porosidad. En este trabajo se estudia el comportamiento mecánico de un acero sinterizado de composición química Fe-4,0Ni-1,5Cu-0,5Mo-0,5C en el rango de alta densidad (de 7,2 a 7,5 g/cm3). Para obtener estos niveles de densificación se emplean diferentes rutas de procesamiento que incluyen: compactación en frío, compactación de polvos precalentados, compactación simple y doble, sinterizado a diferentes temperaturas, y tratamientos secundarios.<br/>Los resultados obtenidos ponen de manifiesto que el nivel de densidad deseado en una pieza pulvimetalúrgica se puede controlar con la variación en las condiciones de procesamiento. Los niveles más altos de densidad se han obtenido combinando el precalentamiento de los polvos con la doble compactación y doble sinterización.<br/>El aumento en densidad conduce a una mejora de todas las propiedades mecánicas independientemente de la ruta de procesamiento a través de la cual se fabrica la pieza. Esta correlación se puede racionalizar teniendo en cuenta que al introducir poros en el material, la resistencia mecánica del material no sólo está afectada por la reducción del área efectiva resistente sino por la concentración de tensiones y la deformación plástica localizada en los cuellos. En este contexto, de cara a mejorar la resistencia mecánica del material, se concluye que es deseable tener poros de menor tamaño, con mayor espaciamiento entre sí, y con geometría mas redondeada.<br/>La presencia de deformación plástica localizada evidenciada en las superficies de fractura de los materiales estudiados permite explicar la correlación positiva encontrada entre la tenacidad de fractura y el límite elástico; comportamiento contrario al de los materiales macizos en los cuales el aumento de la resistencia mecánica usualmente se asocia a una fragilización del material y por tanto a una reducción en su tenacidad.<br/>El estudio del comportamiento mecánico bajo cargas cíclicas ha permitido establecer que el fallo por fatiga se inicia con la nucleación de microfisuras a partir de los poros más grandes e irregulares, donde la concentración de tensiones es mayor. <br/>Posteriormente, la deformación plástica localizada promueve que la grieta se extienda a través de las interfases microestructurales. La heterogeneidad de la microestructura provoca el continuo cambio de orientación de la grieta durante su propagación, y por tanto se presenta como uno de los aspectos que más beneficios aporta a la resistencia en fatiga de los aceros sinterizados aquí estudiados.<br/>La velocidad de propagación de fisuras por fatiga experimenta un aumento apreciable cuando la densidad disminuye, mientras que el umbral de propagación de grietas grandes no presenta cambios significativos con la densidad. No obstante, se ha podido comprobar que es posible la nucleación y crecimiento de fisuras a partir de poros cuyo tamaño es inferior al tamaño crítico mínimo establecido por el umbral de grietas grandes. Por tanto, se concluye que cualquier cálculo realizado teniendo en cuenta los resultados del estudio de fisuras grandes arrojaría resultados poco fiables.<br/>Finalmente, el estudio del comportamiento a fatiga también ha permitido establecer que la sensibilidad a la presencia de entallas permanece relativamente constante en el intervalo de densidad evaluado y su valor es bastante bajo comparado al que exhiben aceros macizos de aplicación estructural con prestaciones equivalentes, lo cual constituye una característica atractiva de los aceros sinterizados de alta densidad en piezas sometidas a solicitaciones cíclicas.

In recent years, manufacturing of sintered components has shown an important growth.<br/>Competitiveness of powder metallurgy demands to produce higher performance components at low costs. Reducing internal porosity is a well known method to improve the mechanical properties of sintered steels. In this doctoral thesis, the mechanical behaviour of a high-density sintered steel (Fe-4,0Ni-1,5Cu-0,5Mo-0,5C) is studied. Several processing routes have been used in order to attain different density levels (from 7,2 to 7,5 g/cm3), including: cold compaction, warm compaction, single and double pressing, sintering at low- and high-temperatures, and secondary operations.<br/>The results achieved shows that density of a PM part can be controlled by processing conditions. Highest density levels are obtained combining warm compaction with double pressing-double sintering.<br/>The mechanical properties evaluated increased linearly with sintered density, regardless of the processing route followed for achieving a given density level. This correlation can be rationalized taking into account that the mechanical resistance in PM steels is influenced not only by the reduction in load-bearing area produced by the presence of pores, but also by stress concentration and localized plastic deformation at sintering necks. In this context, it is found that smaller and rounder pores and larger pore-spacing improve the mechanical performance.<br/>The localized plastic deformation observed on the fracture surfaces of the materials investigated explain the positive correlation between yield stress and fracture toughness; opposite to the relationship exhibited by wrought materials. This performance may be highlighted as a structural advantage once the accompanying improvement in tensile properties by density is accounted.<br/>The study of the mechanical behaviour under cyclic loading allows to state that fatigue failure starts with nucleation of microcracks at larger and more irregular pores, where stress concentration is higher. Then, localized plastic deformation promotes propagation of such microcracks through microstructural interfaces. <br/>The heterogeneity of the microstructure, resulting from concentration gradients of the alloying elements after sintering, induces continuous changes along the crack growth trajectory, which represents an important issue for fatigue resistance enhancement of the PM steels here investigated.<br/>Fatigue crack growth rate increases with porosity while the threshold for propagation of long cracks remains almost constant along the density range evaluated. However, crack extension has been observed even in cracks smaller than the critical size calculated by threshold long-crack growth data. Consequently, it is concluded that any calculations based on growth data under fatigue for long cracks have low reliability.<br/>Finally, the study of the fatigue behaviour indicates that notch sensitivity in PM steels does not change with density and their value is significantly lower than the one exhibited by wrought materials with similar tensile properties. From a mechanical viewpoint, this behaviour is highly beneficial for optimizing the design of high-density PM components intended to be used under fatigue loading.