Transformation Induced Plasticity "TRIP" Steel/es
El acero TRIP (plasticidad inducida por transformación) 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 W retenida en martensita W durante la deformación plástica. Esta propiedad permite que los aceros TRIP tengan una alta formabilidad, a la vez que conservan una excelente resistencia. En el procesamiento de metales, generalmente se debe lograr un equilibrio entre la resistencia y la ductilidad. [ 1 ] Esto se demuestra en el gráfico de la Figura 1, que muestra el equilibrio entre la resistencia y la ductilidad durante el trabajo en frío. La ventaja de los aceros TRIP es que tienen una ductilidad mucho mayor que otros aceros con una resistencia similar. [ 2 ] La ductilidad y la resistencia de los aceros TRIP los convierten en un excelente candidato para aplicaciones automotrices. De hecho, los componentes estructurales se pueden fabricar 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 regulaciones de seguridad.
Principios subyacentes de la ciencia de los materiales
Composición del acero TRIP
Los aceros TRIP son aleaciones de hierro y carbono hipoeutectoides que suelen contener entre un 0,1 % y un 0,4 % de carbono en peso. Los aceros TRIP también contienen elementos de aleación que impiden la precipitación de la fase W de cementita con alto contenido de carbono , presente en los aceros típicos a temperatura ambiente. Esto aumenta la concentración de carbono en 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.
Método de procesamiento
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 por encima del eutectoide W , donde el material está compuesto de una fase de austenita sólida y una fase de ferrita sólida. La fase de austenita 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 de ferrita banítica. Durante la transformación eutectoide, se produce un exceso de carbono por la formación de la fase de ferrita baja en carbono. En una aleación de acero típica, el exceso de carbono formaría una fase de cementita alta en carbono. Sin embargo, el silicio y el aluminio previenen la formación de cementita. En consecuencia, el exceso de carbono se difunde a la fase de austenita 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 para permitir que el carbono se difunda a la austenita. La fase de austenita enriquecida en carbono finalmente alcanza un contenido de carbono lo 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 de austenita retenida dispersa 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 efecto "TRIP"
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 con alto contenido de carbono que es muy frágil. Sin embargo, la austenita retenida está muy finamente dispersa en la fase ferrítica. Esta fina dispersión permite que los aceros TRIP conserven su resistencia. La transformación de la austenita en martensita es casi instantánea y completamente sin difusión. [ 8 ] En los aceros TRIP, la deformación plástica forma sitios de nucleación de matensita en áreas microscópicas que muestran grandes deformaciones. [ 9 ] Estos sitios de nucleación desencadenan la formación de la fase martensita. Las áreas de nucleación se conocen como bandas de cizallamiento, donde se ubican los defectos cristalográficos W, como las maclas o los haces de fallas de apilamiento.
Propiedades de los materiales de los aceros TRIP
En la Figura 6 se muestra una curva típica de esfuerzo-deformación de ingeniería para aceros TRIP. Como se puede observar, los aceros TRIP presentan un alto grado de endurecimiento por acritud. Este alto endurecimiento por acritud se puede atribuir al efecto TRIP, así como al hecho de que los aceros TRIP están compuestos principalmente de ferrita blanda y bainita dura. Esta naturaleza de "doble fase" permite la deformación local de la fase ferrítica, manteniendo al mismo tiempo 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 presentan un endurecimiento por acritud muy estable, donde la formación de estrías se produce a valores de elongación relativamente altos (superiores al 25%). Esto hace que los aceros TRIP sean ideales para operaciones de conformado como estampación o plegado. Las operaciones de conformado suelen verse limitadas por la pérdida de resistencia del componente debido al adelgazamiento de la pared o a la rotura por alcanzar el material su límite de conformado. Los aceros TRIP son ideales para tales operaciones porque tienen un alto límite de formabilidad y un punto de rendimiento estable que aumenta la integridad estructural de los componentes formados.
Mejorando el rendimiento de los aceros TRIP
Mejora del acabado superficial galvanizado de los aceros TRIP
La galvanización 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 utilizado 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 galvanización. [ 10 ] Este óxido degradaba gravemente las propiedades del recubrimiento de la superficie galvanizada. [ 4 ] Los aceros TRIP más nuevos han reemplazado parcial o totalmente el silicio por aluminio como componente de aleación. El aluminio desempeña el mismo papel que el silicio, pero no tiene efectos negativos en el acabado superficial durante la galvanización. Por lo tanto, el contenido de silicio se puede reducir manteniendo las propiedades TRIP del acero.
Microaleación de alta resistencia de aceros TRIP
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 elevando el contenido de carbono de la aleación a aproximadamente el 0,4 % en peso. [ 1 ] Sin embargo, este alto contenido de carbono conduce a una mala soldabilidad. Además, la austenita retenida se vuelve más estable debido al mayor 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 el titanio, el niobio y el vanadio para dar a los aceros TRIP una mayor resistencia a la tracción. [ 1 ] Estos elementos de aleación aumentan la resistencia del acero a través del endurecimiento por precipitación W , mientras que tienen un efecto mínimo en la soldabilidad y la conformabilidad.
Mejorar la eficiencia del combustible de los automóviles
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 la estampación. Además, su alta resistencia a la tracción los hace ideales para componentes sometidos a altas tensiones. Finalmente, poseen excelentes propiedades de absorción de energía gracias a su ductilidad y resistencia, lo que puede mejorar la seguridad del vehículo en caso de colisión. Gracias a estas propiedades beneficiosas, los aceros TRIP podrían utilizarse en cantidades más pequeñas para reemplazar los componentes de acero actuales. Este proceso se conoce como "reducción de espesores", donde se utilizan láminas de acero más delgadas para formar los componentes.
Estimación de pérdida de peso
Aproximadamente el 55 por ciento de la masa de un automóvil de pasajeros promedio está hecha de acero. [ 11 ] Se ha demostrado que el volumen de una lámina de acero dulce formada se puede reducir 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.
Efecto de la reducción de peso en la eficiencia del combustible
El porcentaje de combustible consumido que se destina directamente a la recuperación de las pérdidas inerciales por frenado es del 5,8 %. [ 13 ] El ahorro de peso obtenido con el uso de acero TRIP reduciría las pérdidas inerciales en un 11 %, ya que la energía cinética es directamente proporcional a la masa. Esto significa que el uso de aceros TRIP podría suponer una reducción del consumo total de combustible del 0,64 %.
Tenga en cuenta que esta es una suposición extremadamente conservadora ya que la resistencia al rodamiento W también depende de la masa y no se incluyó en este ejemplo.
Magnitud del efecto a escala global
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) al 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 136 000 millones de automóviles de pasajeros en 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 1 740 millones de litros (460 millones de galones). Esto representa una reducción de las emisiones de dióxido de carbono de 4 180 millones de kg (1 900 millones de libras), lo que representa una reducción del 0,07 % de las emisiones totales de dióxido de carbono de Estados Unidos. [ 15 ]
Economía de los aceros TRIP
Steel is commonly used because of its strength, formability and low cost relative to other metals. Metals such as titanium, magnesium, and aluminum have a higher strength to weight ratio and could offer significant weight savings in automobile components. However, they are much more expensive due to their lower abundance, higher production costs, and higher machining costs. As well, worldwide supply of these metals is fairly limited. These factors prevent these metals from being commonly used in low end production cars, which the majority of the population drives. TRIP steels do not face any of these difficulties, because they are a low alloy steel. Implementing the intercritical annealing step in steel processing should not prove to be difficult. This means that TRIP steels could be produced for the same price as other high strength steels. The most important barrier TRIP steels have faced in their market integration is the poor galvanizing surface finish. The galvanizing process is used on a large number of automotive components, because it is easy, inexpensive, and effective. With the recent discovery of aluminium as a replacement for silicon, TRIP steels no longer face past difficulties with galvanizing. TRIP steels can now be effectively protected from corrosion in an economically viable way, which means we may be seeing commercial production of TRIP steel products in the near future.
References
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- ↑ "¿Cuánto acero hay en un automóvil promedio?", Driving Today, 15 de septiembre de 1999. Disponible en: http://www.drivingtoday.com:80/wcco/news_this_week/1999-09-15-306-driving/index.html
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