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

Introducción: ¿Que propiedades se buscan? Piezas conformables: ductiles y blandas Piezas estructurales: Duras y resistentes al impacto Que requeriminetos tiene la industria automotriz? 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 Tensile strength Total Elongation s s l0(1+e)

Introducción: Acero vs Aluminio

Introducción: ¿En que consiste el embutido de chapas? Conformado de una pieza a partir de una chapa

Introducción: Defectos y fallas durante el embutido Bandas de Luders Curvas tensión defromación típicas de aceros Las bandas de Luders aparecen en materiales que presentan fluencia discontinua !!! El “skin pass” o temper elimina la fluencia discontinua. Es una laminación con deformaciones < def Luders

Introducción: Defectos y fallas durante el embutido Piel Naranja Tipo Pozo Tipo Banda 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

Introducción: Defectos y fallas durante el embutido La presencia de defectos puede provocar la concentración de la deformación y quiebre de la pieza e2 e1 La curva límite de conformado depende de : el coeficiente de endurecimiento y rate sensitivity la anisotropía plástica

Introducción: CLC y Anisotropía Plástica Ensayo de tracción uniaxial e11 s11 Elástica Plástica s11 e33 e11 e22 Deformación Plástica e11+e22+ e33=0 Transversal q= e22 / e11 Longitudinal Parámetro de anisotropía Def transversal Def espesor

Aceros para Embutido Propiedades Mecánicas s11 Baja fluencia No tiene que haber yield point ni Luders Alta resistencia Alto coeficiente de endurecimiento n Alta elongación a rotura Alta anisotropía plástica s11 e11 Composición química Microestructura Tamaño de grano y forma Textura cristalográfica adecuada Parámetros de Proceso !!! Propiedades mecánicas

Aceros para embutido IF: Interstitial free BH: Bake hardenable steels Low C-Mn IF C<0.005 Mn 0.10-0.20 Ti 0.04 N <40ppm Low C-Mn C 0.04-0.08 Mn 0.15-0.25 Al 0.04 N 30-60ppm

Producción de chapas para embutido Proceso de laminado en Caliente Fundición en Planchones 1100ºC TFL: 800ºC-900ºC 1250ºC TB: 700-550

Producción de chapas para embutido Proceso de laminado en frío y recocido En esta etapa se definen las propiedades mecánicas finales, tamaño de grano y textura del material !!!!

Laminación en frío DL DN Ferrita (Fe-bcc) stress Perlita (Fe bcc+Fe3C) 10 mm Perlita (Fe bcc+Fe3C) Ferrita (Fe-bcc) Cold rolled stress Hot rolled 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 strain

Metalurgia del acero en el recocido campana Horno/enfriador quemador Turbina de circulación Termocupla de gas Termocupla de base convectores bobinas Termocupla de horno Se producen tres fenomenos metalúrgicos Recuperación Recristalización Precipitación de elementos en solución

Metalurgia del acero en el recocido Alta veloc de calentamiento 800 650 Fe3C Temperatura 500 350 200 Tiempo DL Recuperación Recristalización Crecimiento de grano DL 20 mm Baja veloc de calentamiento

Aceros para Embutido ¿Que es la textura cristalográfica? Propiedades 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 X-Ray in Material Science: Crystallographic texture Bulk samples are formed by grains with different orientations. When there are no preferred orientations, it is said that the material has a random distribution of grains. However, some processing steps can produce preferred orientations. This occurs by two mechanisms: 1) rotations of grains during plastic deformation, 2) orientation changes during phase transformation. When a material has a preferred orientation of grains, its mechanical, magnetic and elastic properties become anisotropic. In the figure an EBSD (electron back scattered diffraction) micrograph is shown. Each color corresponds to a different orientation. In this case there is a majority of grains with the blue and green orientations.

¿Como mido la textura? TD RD ND 110 200 211 Incident and diffracted angle (Bragg Brentano measurement configuration) wavelength Interplanar spacing Se fija el ángulo para sensar la intensidad de un pico de difracción Se rota la muestra en los ángulos y y f2 Se construye la figura de polos TD X-Ray in Material Science: Crystallographic texture Pole figure of peak (hkl) is the intensity pattern of the diffracting peak for different orientations of the sample. This intensity is proportional to the amount of grains having their (hkl) planes parallel to the bisector formed by the X-Ray source and detector. After measuring pole figures of several peaks, a minimization procedure is done to obtain the ODF. The pole figure measurement is as follows: 1) The exposed surface must be planar, it is recommendable to electropolish to remove marks left by the mechanical steps. 2theta is fixed at a value for which diffraction of the (hkl) planes occurs. the sample is rotated with a special goniometer around two angles, psi and phi2. The intensity as a function of these two angles is plotted as a polar contour plot, as shown in the example. This example corresponds to a (100) pole figure. Angles psi and phi2 increase in the radial and in the circumferential directions, respectively. The laboratory system axes are indicated, the rolling direction corresponds to the normal of the figure, while the transverse and normal directions of the samples are in the psi=90º circumference. The maximum at the center of the figure indicates that there is an important quantity if grains with the (100) planes parallel to the rolling direction. The maxima in the psi=90º circumference indicate that there is also a huge number of grains with their (100) planes parallel to the normal direction of the sample. RD ND 110 200 211

¿Como represento una orientación? Crystallographic Texture How can we represent an orientation? Each grain has an orientation with respect to a laboratory (sample) coordinate system 1) By the transformation that makes the two coordinate systems coincide. Euler angles ND Rotation axis X-Ray in Material Science: Crystallographic texture The description of the crystallographic texture implies knowing the number of grains and their orientations. An orientation must be described with respect to a coordinate system (a sample or laboratory coordinate system). In the case of sheets the most used sample coordinate system is given by the rolling direction (RD), the transverse direction (TD) and the normal direction (ND). How can we represent an orientation? There are several ways, however two are the most commonly used: 1) by a transformation (rotation) that makes the coordinate system of the crystal coincide with the laboratory coordinate system. This can be done by Euler rotations or by giving the rotation axis and angle; 2) by indicating two directions in the crystal that coincide with the laboratory coordinate system axis. For example that the (uvw) plane is parallel to the normal plane and that the [hkl] direction is parallel to the rolling direction. The first method is more exhaustive and is used for texture calculation; the second one is more intuitive. 2) By indicating two directions // to two lab system reference uvw RD ND uvw // ND hkl // RD TD hkl RD TD

Textura: Representación- ODF 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 Anisotropía planar r45 r0 Anisotropía normal 45º

Efecto de las distintas orientaciones al valor de r Cálculo Def transversal Def espesor Ear

Textura de laminación Es 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 (001)[1-10] (223)[1-10] (111)[1-10]

Textura del material recocido Alta velocidad 50ºC/min (001)[1-10] (113)[1-10] (111)[1-10] Baja velocidad 20ºC/hr (111)[1-10]

Interacción AlN- Textura cristalografica RX start E(110)>E(111)>E(112)>E(100) AlN (112) (100)

Aceros para embutido Al-killed Interacción RX-AlN (111)[1-10] DL 20 mm Morfología alargada de granos Textura cristalográfica 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 !!!!