Influencia del conteo de nódulos en la transformación bainitíca, la microestructura y las propiedades mecánicas de hierros nodulares austemperados

Abstract

RESUMEN: La micro-segregación en los hierros nodulares austemperados tiene un efecto de alta importancia en los tratamientos térmicos, debido a esto, al momento de procesar el material se pueden presentar diferencias microestructurales a lo largo de la matriz, por lo tanto, su desempeño mecánico se verá afectado de una manera significativa. El estudio de los fenómenos que rigen la transformación bainítica y la influencia de la no homogeneidad química que presentan estos materiales es de alta importancia tanto para la comunidad científica como la industrial, ya que se busca obtener microestructuras más homogéneas y, por tanto, piezas fabricadas en hierros nodulares austemperados (ADI por sus siglas en ingles) que presenten un mejor desempeño mecánico al momento de ser puestas en operación. Este proyecto pretende establecer el efecto de la segregación de los diferentes elementos de aleación en la cinética de la transformación bainítica, la microestructura y las propiedades mecánicas de los ADI. Para este propósito, inicialmente se fabricaron dos aleaciones, una con Cu y Ni y otra sin estos elementos de aleación, con variaciones en el conteo de nódulos para estudiar el efecto de la micro-segregación. Con el material obtenido se establecieron las condiciones de tratamiento térmico con base en la literatura, estudios previos, simulación matemática y ensayos de dilatometría de alta resolución. Con estos resultados se establecieron las condiciones óptimas de tratamiento térmico para cada aleación con el fin de evaluar la relación de las características de los micro-constituyentes y fases (espesor, distribución y fracción volumétrica) con las propiedades mecánicas. Esto último se realizó mediante las técnicas de microscopía óptica y electrónica de barrido, se realizaron ensayos de Electron Probe Micro Analyser (EPMA) para cuantificar la micro-segregación del silicio, manganeso cobre y níquel, y difracción de rayos X para la caracterización de la austenita de alto carbono y la ferrita bainítica. Las propiedades mecánicas evaluadas fueron dureza, tracción e impacto. Los resultados de la caracterización microestructural mostraron que: 1) La adición de Cu y Ni generan un efecto retardante en la transformación isotérmica, siendo este efecto más marcado al aumentar la temperatura de transformación isotérmica y/o al disminuir el grado de micro-segregación. 2) La distribución de los espesores de la ferrita bainítica tiende a ser más homogénea cuando se emplean Cu y Ni como elementos de aleación y al tener mayores grados de micro-segregación. El efecto de la composición química en el comportamiento mecánico de los hierros nodulares muestra que: 1) La adición de Cu y Ni mejora significativamente la ductilidad sin afectar la resistencia última a la tracción o el límite de elasticidad. 2) Al disminuir el grado de micro-segregación la energía de impacto aumenta, tanto en los sistemas sin aleantes, como en los aleados con Cu y Ni.

ABSTRACT: Micro-segregation has an important effect on heat treatments in austempered ductile iron (ADI), consequently, when castings are processed, microstructural differences can occur throughout the matrix, therefore, their mechanical performance will be significantly affected. The study of the phenomena that govern the bainitic transformation and the influence of the chemistry inhomogeneity in these materials is of high importance for both the scientific and the industrial community, since the aim is to obtain more homogeneous microstructures and, therefore, parts made of austempered ductile iron with better mechanical performance during operation. This project aims to establish the effect of the segregation of different alloying elements on the kinetics of the bainitic transformation, the microstructure and the mechanical properties of ADI. For this purpose, two alloys were fabricated, one with Cu and Ni and another without these alloying elements, both alloys were obtained with variations in the nodule count to study the effect of micro-segregation. The heat treatment conditions were established based on the literature, previous studies, mathematical simulation and high resolution dilatometry testing. With the results, the optimum heat treatment conditions were established for each alloy to evaluate the relationship between the characteristics of the micro-constituents and phases (thickness, distribution and volume fraction) and the mechanical properties. The last part of the study was performed using optical and scanning electron microscopy techniques, Electron Probe Micro Analyser (EPMA) testing to quantify the micro-segregation of silicon, manganese copper and nickel and X-ray diffraction for the characterization of the high carbon austenite and the bainitic ferrite. The mechanical properties evaluated were hardness, tensile and impact toughness. Results of the microstructural analysis showed: 1) Addition of Cu and Ni generates a retarding effect on the isothermal transformation, this effect is stronger as the isothermal transformation temperature increases and/or as the degree of micro-segregation decreases. 2) Thickness distribution of the bainitic ferrite tends to be more homogeneous within the microstructure when Cu and Ni are used as alloying elements and when the degree of micro-segregation increases. As for the effect of the chemical composition on the mechanical behavior of ductile iron, the study shows: 1) the addition of Cu and Ni significantly increases the ductility without affecting the ultimate tensile strength or the yield strength. 2) When the degree of micro-segregation decreases, the impact energy increases in both the Cu and Ni and the unalloyed ductile irons.