Estudio de la precipitación inducida por deformación y su interacción con los procesos de ablandamiento en aceros mecroaleados con alto contenido en Mn.

Abstract

Actualmente, debido a la demanda de la industria automovilística y a la competencia con materiales más ligeros, están en desarrollo nuevos grados de acero, destacando entre ellos los aceros con alto contenido en Mn (15-30%) también conocidos como aceros TWIP (TWinning Induced Plasticity). Estos aceros presentan una excelente combinación resistencia-ductilidad, posibilitando una reducción significativa del espesor de algunos de los componentes del automóvil. Por ello suscitan un interés especial como componentes estructurales del automóvil. Además, en situación de impacto facilitan que se preserve la integridad estructural del automóvil. Sin embargo, uno de los mayores inconvenientes es su bajo límite elástico, por lo que existe un especial interés en buscar estrategias para aumentar esta propiedad. La adición de microaleantes (Nb, V y/o Ti) surge como un mecanismo ideal para incrementar el límite elástico de estos aceros. Estos elementos pueden precipitar en forma de carburos y/o nitruros durante las diferentes etapas del proceso de producción del acero. Dependiendo de la fracción volumétrica, coherencia y tamaño de los precipitados, éstos pueden dar lugar a un significativo endurecimiento del material. Aunque diversos trabajos han mostrado resultados positivos en cuanto al potencial endurecedor de estos microaleantes en aceros TWIP, se ha prestado menos atención al efecto que la microaleación puede tener en otras etapas de su conformado o al efecto que los altos niveles de Mn pueden tener sobre los tiempos para el inicio de la precipitación inducida por deformación. Por otra parte, los microaleantes en solución sólida o en forma de precipitados pueden resultar en un incremento significativo en las cargas de laminación, lo que dificultaría aún más las ya complicadas condiciones de procesado de estos aceros. Además, si se da precipitación inducida por deformación durante la laminación en caliente, se pierde parte del microaleante disponible para precipitar en etapas posteriores, lo que puede resultar en una pérdida de eficiencia de la microaleación. Teniendo esto en cuenta, esta tesis se ha centrado en la caracterización de las cinéticas de ablandamiento y de precipitación inducida por deformación durante la deformación en caliente de varios aceros con niveles altos de Mn (20 y 30%) microaleados con Nb o V. Para ello, las probetas se han deformado en el banco de torsión mediante dos tipos de ensayos; ensayos de doble pasada de deformación, que permiten la determinación de las cinéticas de ablandamiento, y ensayos de temple, para analizar la microestructura y el estado de precipitación de las probetas en las condiciones de temperatura y tiempo de mantenimiento deseadas. La presencia de precipitados inducidos por deformación se ha caracterizado mediante el análisis de réplicas de extracción en el TEM, y se han relacionado los resultados obtenidos con las cinéticas de ablandamiento. Además, se han examinado láminas delgadas de varios de los aceros microaleados con Nb para llevar a cabo un análisis más exhaustivo de la precipitación. Asimismo, en algunos casos se ha cuantificado la fracción volumétrica de precipitado a partir de la técnica EFTEM. También se ha determinado la fracción recristalizada mediante EBSD para varias muestras y se han comparado con la fracción ablandada obtenida a partir de los ensayos mecánicos. Por último, se ha obtenido una ecuación semi-empírica para predecir las cinéticas de recristalización de estos aceros en aquellos casos donde no se da precipitación inducida por deformación. Además, se ha estudiado la aplicabilidad de un modelo físico de evolución microestructural que tiene en cuenta la interacción entre restauración, recristalización y precipitación inducida por deformación. Los resultados experimentales se han utilizado para determinar los parámetros físicos desconocidos y validar las predicciones de fracción volumétrica de precipitado predichas por el modelo.

Nowadays, due to the demand of the automotive industry and the competence with lighter materials, new grades of steels are under investigation. Among others, high-Mn steels (15-30%), also known as TWIP (TWinning Induced Plasticity) steels, are highlighted due to their excellent strength-ductility combination. As a result, a significant thickness reduction of some of the automotive components can be achieved. These steels present also a high ductility, which helps to preserve vehicle structural stability in case of impact.However, the main disadvantage found in the production of these steels is their low yield strength. Accordingly, several strategies are under investigation to improve this property. Adding microalloying elements (Nb, V and/or Ti) has been proposed as an ideal hardening mechanism for TWIP steels. These elements can precipitate in the form of carbides and/or nitrides during the different stages of the steel production process. Depending on the volume fraction, coherency and precipitate size, they can contribute to increase steel yield strength. Although several works have shown encouraging results on the hardening potential of microalloying elements in TWIP steels, the influence of high Mn contents on the precipitation kinetics has not been investigated in detail. The information concerning the effect of these elements on other processing stages, such as hot deformation, is also scarce. It has to be taken into account that during hot working, microalloying elements in solid solution or in the form of strain-induced precipitates can result in a notable increase in the rolling loads, making even more difficult the already challenging processing conditions of these steels. In addition, if strain-induced precipitation takes place during hot rolling, the amount of microalloying element available for precipitation at later stages is reduced, which can suppose a loss of microalloying efficiency.Taking this into account, this thesis has focused on the characterisation of the softening and strain-induced precipitation kinetics during hot working of several steels with high Mn levels (20 and 30%) microalloyed with Nb or V. In order to do so, the specimens have been deformed in the torsion machine using two types of tests; double-hit torsion tests, that allow the determination of the softening kinetics, and single-hit tests followed by quenching, in order to analyse the microstructure and the precipitation state of the specimens in the required conditions of temperature and holding time. The presence of strain-induced precipitation has been characterised through the analysis of the carbon extraction replicas in TEM and the results have been related to the softening kinetics determined from the double-hit torsion tests. In addition, thin foils have been examined in order to perform a more detailed analysis of the precipitation for several of the Nb microalloyed steels. Similarly, in some cases the precipitate volume fraction has been quantified through the EFTEM technique. Different samples have been also analysed via ESBD for determining the recrystallised fraction and compare it with the fractional softening obtained from the mechanical tests. Finally, a semi-empiric model for the prediction of the recrystallisation kinetics valid for those cases where strain-induced precipitation does not occur has been developed. In addition, the applicability of a physical model that takes into account the interaction between recovery, recrystallisation and strain-induced precipitation has been investigated. The experimental results obtained during this work have been used to determine the unknown physical parameters required for model implementation. Finally, the modelling results have been validated through the comparison of the precipitate volume fraction predictions with the experimental results obtained from the thin foils analysis.