Manufactura y propiedades mecánicas de chapas de acero

para la industria automotriz

Dr. Miguel Angel Vicente Alvarez

Centro de Investigación Industrial TenarisSiderca

Actualmente: Laboratorio de Fisica de Neutrones - CAB

• Piezas conformables: ductiles y blandas

• Piezas estructurales: Duras y resistentes al impacto

Que requeriminetos tiene la industria automotriz?

Introducción: ¿Que propiedades se buscan?

•Menor gasto combustible•Menor costo fabricación•Mayor seguridad

•Menor espesor de chapa•Mayor resistencia•Mayor capacidad de absorber impacto

Introducción: Las piezas de acero en un auto

+DDS

+DDS

Introducción: Dureza y ductilidad para distintos aceros

l0

l0

Total Elongation

Tensile strength

Introducción: Acero vs Aluminio

Conformado de una pieza a partir de una chapa

Introducción: ¿En que consiste el embutido de chapas?

Las bandas de Luders aparecen en materiales que presentan fluencia discontinua !!!

Introducción: Defectos y fallas durante el embutidoCurvas tensión defromación típicas de acerosBandas de Luders

El “skin pass” o temper elimina la fluencia discontinua.Es una laminación con deformaciones < def Luders

• Es una inestabilidad plástica superficial•Aparece en chapas con tamaños de grano grande y bajo coeficiente de endurecimiento.•La aparición de franjas o poros está asociada con la forma de los granos

Tipo Pozo

Tipo Banda

Introducción: Defectos y fallas durante el embutidoPiel Naranja

La presencia de defectos puede provocar la concentración de la deformación y quiebre de la pieza

La curva límite de conformado depende de :• el coeficiente de endurecimiento y rate sensitivity• la anisotropía plástica

Introducción: Defectos y fallas durante el embutido

1

2

Introducción: CLC y Anisotropía Plástica

22

Ensayo de tracción uniaxial

11

3311

11

11

Elástica

Plástica

Deformación Plástica22+

)1(0000001

11

qqD

q= 22 / 11

Transversal

Longitudinal

qqr

1

Parámetro de anisotropía

Def transversal

Def espesor

Aceros para EmbutidoPropiedades Mecánicas

• Baja fluencia • No tiene que haber yield point ni Luders• Alta resistencia• Alto coeficiente de endurecimiento n• Alta elongación a rotura• Alta anisotropía plástica

Composición química

Microestructura• Tamaño de grano y forma • Textura cristalográfica adecuada

11

11

Propiedades mecánicas

Parámetros de Proceso !!!

IF: Interstitial free

BH: Bake hardenable steels

Low C-Mn

Aceros para embutido

IF

Low C-Mn

C<0.005 Mn 0.10-0.20 Ti 0.04 N <40ppm

C 0.04-0.08 Mn 0.15-0.25 Al 0.04 N 30-60ppm

Producción de chapas para embutido

Fundiciónen Planchones

Proceso de laminado en Caliente

TFL: 800ºC-900ºC

1100ºC

1250ºC

TB: 700-550

Proceso de laminado en frío y recocido

En esta etapa se definen las propiedades mecánicas finales, tamaño de grano y textura del material !!!!

Producción de chapas para embutido

Laminación en frío

DL

DN

Microestructura• Cambia la forma de los granos• Se rompen las estructuras perlíticas• Hay un aumento de defectos dentro de los granos• Hay cambios en la orientación de los granos

10 m

Perlita(Fe bcc+Fe3C)

Ferrita (Fe-bcc)

strain

stressCold rolled

Hot rolled

Metalurgia del acero en el recocido

0 20 40 60 80 100

0

100

200

300

400

500

600

700

800

Tem

pera

tura

Horas

PF 1 PF 2 TC2 PC 1

Se producen tres fenomenos metalúrgicos• Recuperación• Recristalización• Precipitación de elementos en solución

campana

Horno/enfriador

quemador

Turbina de circulación

Termocupla de gasTermocupla de base

convectores

bobinas

Termocupla de horno

Metalurgia del acero en el recocido

Tiempo

Tem

pera

tura

800

650

500

350

200

RecuperaciónRecristalización Crecimiento de grano

Fe3C

DL

DL

Alta veloc de calentamiento

Baja veloc de calentamiento

20 m

Aceros para EmbutidoPropiedades Mecánicas

• Baja fluencia. > TG grande y poco aleado• Alta elongación a rotura > 100% recristal• Alta resistencia > depende mucho de los aleantes!!• Alto coeficiente de endurecimiento n

• No tiene que haber yield point ni Luders Aplico un skin pass previo al embutido

• Alta anisotropía plástica Control de la textura cristalográfica

Controlo a través de • química • % de laminación en frío • temperatura y sosta durante el recocido

¿Que es la textura cristalográfica?

¿Que relación hay entre la anisotropía plástica y la textura?

¿Como depende esa textura de las condiciones de proceso?

¿Qué es la textura cristalográfica?In bulk samples grains have particular orientations respect to the sample coordinate system. If these grains are not randomly oriented it is said that the material has a crystallographic texture.The mechanical, magnetic, and elastic properties among others depend on the crystallographic texture.

EBSD micrograph

Each color indicates a particular orientation

¿Como mido la textura?

1) Se fija el ángulo para sensar la intensidad de un pico de difracción

2) Se rota la muestra en los ángulos y

3) Se construye la figura de polos

110 200 211

RD

TD

ND

)sin(..2 hkldn

wavelength

Incident and diffracted angle (Bragg Brentano measurement configuration)

Interplanar spacing

¿Como represento una orientación?

Crystallographic TextureHow can we represent an orientation?

RDTD

ND

1) By the transformation that makes the two coordinate systems coincide. Euler angles

2) By indicating two directions // to two lab system reference

Rotation axis

hkl

uvw

RDTD

ND

uvw // NDhkl // RD

Each grain has an orientation with respect to a laboratory (sample) coordinate system

ODF project:D:\...\80\laf80sup.wtxODF: ODF dataDimension: 3DNotation: BungeSurfaces: 10Scale: Linear

Textura: Representación- ODF

Phi1

PHI 0 5 10 15

20 25 30 35

40 45 50 55

60 65 70 75

80 85 90

ODF project:D:\...-LAF\80\laf80sup.wtxODF: ODF dataDimension: 2DNotation: BungeFixed axis: Phi2Scale: LinearColour map: DefaultContours: 200

Intensity Colour 1 0.078 51 3.599101 7.119151 10.640200 14.090

La textura cristalográfica se representa por una función de distribución de orientaciones, que da la probabilidad de encontrar una dada orientación en la muestra. Es una función de tres variables, los tres ángulos de Euler que identifican una dada orientación

Identificación de orientaciones de la ODF

Phi2=45

Relación textura-anisotropía plástica

r0

r45

r90

4.2 90450 rrrrm

Anisotropía normal

2.2 90450 rrrrm

Anisotropía planar

045º

Efecto de las distintas orientaciones al valor de rCálculo

Ear

(111)

1-10

TDND

RD

1-10

(100)

RD

NDTD

qqr

1

Def transversal

Def espesor

Textura de laminaciónEs consecuencia de la incompatibilidad de los modos de deformación internos del cristal y la deformación macroscópica

Cada grano deforma por corte en los distintos sistemas de deslizamiento accesibles. La componente anti-simétrica del tensor macro se compatibiliza por rotación de los granos

(111)[1-10]

(001)[1-10]

(223)[1-10]

0 20 40 60 80 1001.0

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

1.7

1.8

r

Angulo a la DL

FC RC3

Textura del material recocido

Phi110 20 30 40 50 60 70

PHI

80

70

60

50

40

30

20

10 45

ODF project:D:\...t XRD\7046\pc60.wtxODF: ODF dataDimension: 2DNotation: BungeFixed axis: Phi2Section: 45.0 °Scale: LinearColour map: DefaultContours: 200

Intensity Colour 1 0.200 51 1.937101 3.674151 5.412200 7.114

Alta velocidad 50ºC/min

Phi110 20 30 40 50 60 70

PHI

8070

6050

4030

2010

45

ODF project:D:\...t XRD\sr3-04\m35.wtxODF: ODF dataDimension: 2DNotation: BungeFixed axis: Phi2Section: 45.0 °Scale: LinearColour map: DefaultContours: 150

Intensity Colour 1 0.119 38 4.508 75 8.897112 13.286150 17.794

Baja velocidad 20ºC/hr

(001)[1-10]

(113)[1-10]

(111)[1-10]

(111)[1-10]

0 20 40 60 80 100

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0

2.2

2.4

r

Angulo respecto DL

Alta Velocidad Baja Velocidad

Interacción AlN- Textura cristalografica

AlN

RX start E(110)>E(111)>E(112)>E(100)

(112)(100)

Aceros para embutido Al-killedInteracción RX-AlN

Morfología alargada de granosPhi110 20 30 40 50 60 70

PHI

8070

6050

4030

2010

45

ODF project:D:\...t XRD\sr3-04\m35.wtxODF: ODF dataDimension: 2DNotation: BungeFixed axis: Phi2Section: 45.0 °Scale: LinearColour map: DefaultContours: 150

Intensity Colour 1 0.119 38 4.508 75 8.897112 13.286150 17.794

(111)[1-10]

Textura cristalográfica

DL20 m

Propiedades mecánicas para embutido

Textura y Propiedades del Material

• Propiedades mecánicas• Constante elástica• Propiedades magnéticas• Sección eficaz neutrónica• Cinética de creep• Campo de tensiones internas y residuales

GRACIAS !!!!