Transformation Induced Plasticity "TRIP" Steel/Acero con plasticidad inducida por transformación (TRIP)

Datos de ubicación

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Ubicación	Kingston , Canadá
Coordenadas	44° 13' 50.47" N, 76° 28' 52.76" O

El acero con plasticidad inducida por transformación (TRIP) es un tipo de aleación de acero que presenta una excelente resistencia y ductilidad. La plasticidad inducida por transformación se refiere a la transformación de la austenita retenida ^W en martensita ^W durante la deformación plástica. Esta propiedad permite que los aceros TRIP tengan una alta conformabilidad, manteniendo al mismo tiempo una excelente resistencia. En el procesamiento de metales, generalmente se debe llegar a un compromiso entre resistencia y ductilidad. ^{[ 1 ]} Esto se demuestra en el gráfico de la Figura 1, que muestra el compromiso entre resistencia y ductilidad durante el trabajo en frío. La ventaja de los aceros TRIP es que tienen una ductilidad mucho mayor que otros aceros con resistencia similar. ^{[ 2 ]} La ductilidad y resistencia de los aceros TRIP los convierten en una excelente opción para aplicaciones automotrices. De hecho, los componentes estructurales pueden fabricarse más delgados porque los aceros TRIP tienen la ductilidad necesaria para soportar procesos de alta deformación, como el estampado, así como las características de resistencia y absorción de energía para cumplir con las normas de seguridad.

Los aceros TRIP son aleaciones de hierro-carbono hipoeutectoides que suelen contener entre un 0,1 y un 0,4 % de carbono en peso. Estos aceros también contienen elementos de aleación que impiden la precipitación de la fase cementita ^W , rica en carbono , presente en los aceros convencionales a temperatura ambiente. Esto aumenta la concentración de carbono de la fase austenítica, que se estabiliza a temperatura ambiente. El silicio y el aluminio son los dos elementos más comunes utilizados para estabilizar la fase austenítica a temperatura ambiente. ^{[ 4 ]} También se pueden añadir otros elementos de aleación, como titanio, niobio, vanadio, etc., para mejorar la resistencia de la aleación.

Para producir un acero TRIP fuerte y dúctil, se utiliza un proceso de recocido intercrítico para obtener la distribución de fases correcta. ^{[ 5 ]} Durante el recocido intercrítico, el acero se lleva a una temperatura superior al eutectoide ^W , donde el material está compuesto por una fase austenítica sólida y una fase ferrítica sólida. La fase austenítica es una fase sólida de alta temperatura que solo existe en equilibrio a temperaturas superiores a 727 grados Celsius. ^{[ 6 ]} Luego, el material se enfría isotérmicamente a una temperatura de aproximadamente 400 grados Celsius, ^{[ 4 ]} para permitir que la austenita forme una fase ferrítica banítica. Durante la transformación eutectoide, se produce un exceso de carbono por la formación de la fase ferrítica de bajo carbono. En una aleación de acero típica, el exceso de carbono formaría una fase cementita de alto carbono. Sin embargo, el silicio y el aluminio impiden la formación de cementita. En consecuencia, el exceso de carbono se difunde a la fase austenítica restante. Para obtener la microestructura correcta, es importante que la transformación isotérmica se complete a una temperatura donde la formación de ferrita bainítica sea lo suficientemente lenta como para permitir que el carbono se difunda a la austenita. La fase de austenita enriquecida con carbono finalmente alcanza un contenido de carbono suficientemente alto como para ser estable a temperatura ambiente. ^{[ 7 ]} El resultado del proceso de recocido intercrítico es un material compuesto principalmente de ferrita y bainita ^W formada a partir de la fase de austenita durante el recocido intercrítico, así como fases dispersas de austenita retenida y martensita. La microestructura del grano se puede ver en la Figura 2 que muestra un esquema de las fases, y la Figura 3 que muestra una micrografía tomada con un microscopio electrónico de barrido ^W . La Figura 4 representa el proceso de recocido intercrítico en el diagrama de fases del hierro. La Figura 5 demuestra la concentración de carbono de las fases de ferrita y austenita durante el proceso de recocido intercrítico.

El fenómeno de plasticidad inducida por transformación ocurre cuando la austenita retenida se transforma en martensita durante la deformación plástica. ^{[ 1 ]} La transformación de la austenita retenida produce una fase de martensita de alto carbono que es muy frágil. Sin embargo, la austenita retenida está muy finamente dispersa en la fase de ferrita. Esta fina dispersión permite que los aceros TRIP mantengan su resistencia. La transformación de austenita en martensita es casi instantánea y completamente sin difusión. ^{[ 8 ]} En los aceros TRIP, la deformación plástica forma sitios de nucleación de martensita en áreas microscópicas que experimentan grandes deformaciones. ^{[ 9 ]} Estos sitios de nucleación desencadenan la formación de la fase de martensita. Las áreas de nucleación se conocen como bandas de cizallamiento, donde se ubican defectos cristalográficos ^W tales como maclas o haces de fallas de apilamiento.

En la Figura 6 se muestra una curva típica de tensión-deformación para aceros TRIP. Como se puede observar, los aceros TRIP presentan un alto grado de endurecimiento por deformación. Este elevado endurecimiento se atribuye al efecto TRIP, así como a su composición principal de ferrita blanda y bainita dura. Esta naturaleza de "doble fase" permite la deformación localizada de la fase ferrítica, manteniendo una alta resistencia a la tracción. De hecho, su resistencia a la tracción ^W suele ser el doble de su límite elástico ^{W. [ 2} ] Esto significa que los aceros TRIP también exhiben un endurecimiento por deformación muy estable, donde el inicio del estrechamiento se produce a valores de elongación relativamente altos (superiores al 25%). Esto hace que los aceros TRIP ^sean ideales para operaciones de conformado como el estampado o el doblado. Estas operaciones suelen estar limitadas por la pérdida de resistencia del componente debido al adelgazamiento de la pared o a la rotura cuando el material alcanza su límite de conformado. Los aceros TRIP son ideales para este tipo de operaciones porque tienen un alto límite de conformabilidad y una elongación estable en el punto de fluencia, lo que aumenta la integridad estructural de los componentes conformados.

El galvanizado por inmersión en caliente ^(W) es un tratamiento superficial ampliamente utilizado para aceros. Durante el proceso, el zinc fundido se une al hierro para formar una capa que protege contra la corrosión. Los aceros TRIP originales solo contenían silicio como elemento de aleación para suprimir la formación de la fase cementita. El contenido de silicio en estas aleaciones era de aproximadamente el 1,5 % en peso. Este contenido relativamente alto de silicio formaba óxido de silicio en la superficie del acero antes del proceso de galvanizado. ^{[ 10 ]} Este óxido degradaba gravemente las propiedades del recubrimiento superficial galvanizado. ^{[ 4 ]} Los aceros TRIP más recientes han sustituido parcial o totalmente el silicio por aluminio como componente de aleación. El aluminio desempeña la misma función que el silicio, pero no tiene efectos negativos sobre el acabado superficial durante el galvanizado. Por lo tanto, se puede reducir el contenido de silicio manteniendo las propiedades TRIP del acero.

Los aceros TRIP básicos tienen una resistencia a la tracción de aproximadamente 600 MPa. Sin embargo, al variar el contenido de aleación, los aceros TRIP pueden tener resistencias a la tracción superiores a 800 MPa. Esto se logró inicialmente aumentando el contenido de carbono de la aleación a aproximadamente 0,4 % en peso. ^{[ 1 ]} Sin embargo, este alto contenido de carbono conduce a una soldabilidad deficiente. Además, la austenita retenida se vuelve más estable debido al aumento del contenido de carbono, lo que disminuye la conformabilidad del acero TRIP. En lugar de aumentar el contenido de carbono, se pueden utilizar elementos de aleación como titanio, niobio y vanadio para proporcionar a los aceros TRIP una mayor resistencia a la tracción. ^{[ 1 ]} Estos elementos de aleación aumentan la resistencia del acero mediante el endurecimiento por precipitación ^W , mientras que tienen un efecto mínimo sobre la soldabilidad y la conformabilidad.

Los aceros TRIP son una opción ideal para materiales estructurales en automóviles. Poseen la ductilidad y el endurecimiento por deformación estable necesarios para soportar procesos de alta deformación, como el estampado. Además, su alta resistencia a la tracción los hace ideales para componentes sometidos a grandes esfuerzos. Finalmente, gracias a su ductilidad y resistencia, tienen excelentes propiedades de absorción de energía, lo que puede mejorar la seguridad del vehículo en caso de colisión. Debido a estas propiedades beneficiosas, los aceros TRIP podrían utilizarse en cantidades menores para reemplazar componentes de acero actuales. Esto se conoce como "reducción de espesor", donde se utilizan láminas de acero más delgadas para la fabricación de componentes.

Aproximadamente el 55 por ciento de la masa de un automóvil de pasajeros promedio está compuesta de acero. ^{[ 11 ]} Se ha demostrado que el volumen de una lámina de acero dulce conformada puede reducirse en un 20 por ciento mediante el uso de acero TRIP, manteniendo la misma rigidez. ^{[ 12 ]} Por lo tanto, se puede suponer que el uso de acero TRIP podría reducir la masa de acero en un vehículo en un 20 por ciento y la masa total del vehículo en un 11 por ciento.

El porcentaje de combustible consumido que se destina directamente a recuperar las pérdidas inerciales del frenado es del 5,8 %. ^{[ 13 ]} El ahorro de peso derivado del uso de acero TRIP reduciría las pérdidas inerciales en un 11 %, dado que la energía cinética es directamente proporcional a la masa. Esto significa que el uso de aceros TRIP podría conllevar una reducción del consumo total de combustible del 0,64 %.

Tenga en cuenta que esta es una suposición extremadamente conservadora, ya que la resistencia a la rodadura ^W también depende de la masa y no se incluyó en este ejemplo.

Si asumimos que un vehículo de pasajeros promedio consume 10 L/100 km (23,5 mpg) y que un automóvil promedio recorre 20 000 km (12 500 millas) en un año, el ahorro de peso se traduce en una reducción anual del consumo de combustible de 12,8 litros (3,33 galones). En 2007, había 136 mil millones de automóviles de pasajeros en los Estados Unidos. ^{[ 14 ]} Esto significa que el uso de aceros TRIP en la fabricación de vehículos tiene el potencial de reducir el consumo de combustible en 1740 millones de litros (460 millones de galones). Esto representa una reducción de las emisiones de dióxido de carbono de 4180 millones de kg (1900 millones de libras), lo que equivale a una reducción del 0,07 % de las emisiones totales de dióxido de carbono de los Estados Unidos. ^{[ 15 ]}

El acero se usa comúnmente debido a su resistencia, conformabilidad y bajo costo en comparación con otros metales. Metales como el titanio, el magnesio y el aluminio tienen una mayor relación resistencia-peso y podrían ofrecer importantes ahorros de peso en componentes de automóviles. Sin embargo, son mucho más caros debido a su menor abundancia, mayores costos de producción y mayores costos de mecanizado. Además, el suministro mundial de estos metales es bastante limitado. Estos factores impiden que estos metales se usen comúnmente en automóviles de producción de gama baja, que son los que conduce la mayoría de la población. Los aceros TRIP no enfrentan ninguna de estas dificultades, ya que son aceros de baja aleación. Implementar el paso de recocido intercrítico en el procesamiento del acero no debería ser difícil. Esto significa que los aceros TRIP podrían producirse al mismo precio que otros aceros de alta resistencia. La barrera más importante que han enfrentado los aceros TRIP en su integración al mercado es el deficiente acabado superficial del galvanizado. El proceso de galvanizado se utiliza en una gran cantidad de componentes de automóviles porque es fácil, económico y efectivo. Con el reciente descubrimiento del aluminio como sustituto del silicio, los aceros TRIP ya no enfrentan las dificultades anteriores con el galvanizado. Ahora es posible proteger eficazmente los aceros TRIP de la corrosión de una manera económicamente viable, lo que significa que podríamos ver la producción comercial de productos de acero TRIP en un futuro próximo.