Caracterización metalográfica, estructural y mecánica de un acero avanzado de baja densidad austenítico del sistema Fe-Mn-Al-C microaleado con Nb en condición de tratamiento térmico y termomecánico

Abstract

The low density (LD) steels of the Fe-Mn-Al-C system present a good combination of strength and ductility, having an excellent combination of physical and mechanical properties which are ideal for applications in the aeronautical, automotive and military industries, such as high mechanical strength, good fatigue performance, high temperature oxidation resistance, total elongation and low density, reaching a reduction in density of up to 20% with respect to conventional steels. The present research work aims to study the effect of Nb addition on the microstructure and mechanical properties of an advanced austenitic low-density steel of the Fe-Mn-Al-C system under heat and thermo-mechanical treatment conditions. For this purpose, austenitic LD steels were designed and fabricated in a vacuum induction furnace, one as a reference and the other microalloyed with 0.25% Nb. Once these steels were manufactured, they were microstructurally conditioned by heat and thermo-mechanical treatments of homogenization, hot-rolling, solubilization and precipitation aging to eliminate the dendritic structure, obtain grain refinement and precipitation of the kappa phase. They were also characterized metallographically by light optical microscopy (LOM) and scanning electron microscopy (SEM). For structural characterization, X-ray diffraction (XRD) and electron backscatter diffraction (EBSD) were used to characterize the crystallographic orientation of the phases present. In addition, uniaxial tensile and Vickers microhardness tests will be performed to determine the mechanical properties of the material. The results show that the Nb addition to austenitic LD steel generated a high degree of dynamic recrystallization, grain refinement and precipitation hardening. Thus, during microstructural conditioning, an equiaxial and uniform microstructure, austenitic grain size up to 16.43 μm, hardness of 392.63 HV, and nanometer-sized NbC particles and kappa carbides were obtained after the fifth hot-rolling stage.

Los aceros de baja densidad (LD) del sistema Fe-Mn-Al-C presentan una buena combinación de resistencia y ductilidad, disponiendo de una excelente combinación de propiedades físicas y mecánicas ideales para aplicaciones en la industria aeronáutica, automotriz y militar, tales como alta resistencia mecánica, buen rendimiento a la fatiga, resistencia a la oxidación a elevada temperatura, elongación total y baja densidad, alcanzando una reducción en densidad de hasta 20% respecto a los aceros convencionales. El presente proyecto de investigación tiene como objetivo estudiar el efecto de la adición de Nb en la microestructura y propiedades mecánicas de un acero avanzado de baja densidad austenítico del sistema Fe-Mn-Al-C en condición de tratamiento térmico y termo-mecánico. Para lo cual, se diseñaron y fabricaron en horno de inducción al vacío aceros LD austeníticos, uno de referencia y otro microaleado con 0.25% Nb. Una vez fabricados dichos aceros se acondicionaron microestructuralmente mediante los tratamientos térmicos y termo-mecánicos de homogenización, laminación en caliente, solubilizado y envejecimiento por precipitación para eliminar la estructura dendrítica, obtener un refinamiento de grano y precipitación de la fase kappa. Asimismo, se caracterizaron metalográficamente por microscopia óptica (MO) y microscopia electrónica de barrido (MEB), para la caracterización estructural se utilizó difracción de rayos-X (DRX) y difracción de electrones por retrodispersión (EBSD) para caracterizar la orientación cristalográfica de las fases presentes. Además, se realizaron ensayos de tracción uniaxial y de microdureza Vickers para determinar las propiedades mecánicas del material. Los resultados muestran que la adición de Nb generó un alto grado de recristalización dinámica, refinamiento de grano y endurecimiento por precipitación. Así, durante el acondicionamiento microestructural se obtuvo una microestructura equiaxial y uniforme, tamaño de grano austenítico de hasta 16.43 μm, dureza de 392.63 HV, y partículas de NbC y carburos kappa de tamaño nanométricos después de la quinta etapa de laminación en caliente.