La selección de materiales es uno de los procesos más importantes en la elaboración de una pieza, puesto que es un factor determinante para los criterios de diseño y fabricación del elemento.
En la actualidad una familia de materiales muy utilizada en la fabricación de vehículos es la de los aceros avanzados de alta resistencia, AHSS (por sus siglas en inglés: Advanced High Strength Steel), este grupo está constituido por los aceros DP (Fase dual), CP (Fase compleja), TRIP (Transformación plástica inducida), MS (Martensíticos) y TWIP (Transformación plástica inducida por maclado).
Como se mencionó, dentro de los AHSS, se encuentra el acero DP, el que según la ULSAB-AVC (Ultra Light Steel Auto Body - Advance Vehicle Concept), es el material más utilizado para fabricar la mayor cantidad de autopartes, pues hasta un 74% de las estructura de un vehículo se encuentra elaborada con este acero.
Obtención y Tratamientos del Acero DP
En la obtención del acero DP, se utilizan procesos que involucran transformación microestructural por medio de tratamientos térmicos, que en algunos casos están acompañados por altas deformaciones plásticas (termomecánicos). El paso fundamental, en la obtención de un acero DP, consiste en calentar el acero dentro de un rango de temperatura intercrítico definido en los aceros hipoeutectoides, como la región entre las temperaturas críticas Ac1 y Ac3, del diagrama hierro-carbono; donde se producirá la formación de una fase inestable de austenita la que será transformada en martensita.
Para la obtención del acero DP, generalmente se utilizan aceros de bajo contenido de carbono y adicional al temple el material puede someterse a recocidos, homogenizaciones o calentamientos con enfriamientos controlados [6].
Un esquema de los tratamientos realizados se representa en la Figura 2. El tratamiento 3 consistió en un proceso termomecánico después que el material se normalizó desde una temperatura de austenización de 915 °C durante 20 minutos, luego se llevó a una temperatura intercrítica de 810 °C durante 20 minutos, posteriormente se aplicó una deformación del 10% en caliente, seguido de un temple en solución de NaOH al 5%; el tratamiento terminó con un revenido por 1 hora a 200 °C.
Caracterización Microestructural y Mecánica
Posterior a los tratamientos térmicos y termomecánicos fueron realizados ensayos de laboratorio con el fin de caracterizar la microestructura y las propiedades mecánicas del material. En la caracterización microestructural se realizaron pruebas de composición química, microscopia óptica, microscopia electrónica de barrido (SEM, por sus siglas en inglés Scanning Electron Microscopy) y microdureza.
Se utilizaron muestras en forma de disco de 19 mm de diámetro y espesor de 6 mm cortados a la mitad para poder hacer una observación de las secciones transversales y longitudinales del material. Las muestras fueron encapsuladas en resina epóxica, desbastadas con lijas de grano grueso, medio y fino, y pulidas con paño usando alúmina como material abrasivo.
El ataque químico se hizo con Nital en una concentración del 2%. La observación de la microestructura se efectuó en microscopio óptico, marca Olympus X30, determinando el tamaño de grano y las fases presentes. La dureza de las fases fue tomada en un microdurómetro marca Leco 402 con un mínimo de 6 indentaciones, carga de 200 g y tiempo de 10 segundos.
La caracterización de las propiedades mecánicas y tecnológicas del material se realizó por medio de ensayos de dureza, tracción uniaxial, impacto y flexión. Para la dureza el equipo utilizado fue un durómetro análogo Wolpert, las mediciones se efectuaron en escala Rockwell B. Se hizo un perfil de dureza desde el centro de la probeta (eje axial de la pieza), hasta el extremo de la misma tomando mediciones cada 2 mm.
Los ensayos de tracción uniaxial fueron realizados con probetas de longitud calibrada de 50 mm y diámetro de cuello de 12,7 mm según la norma ASTM E-8 11. El equipo utilizado fue una máquina universal de ensayos Shimadzu UH_X con control de desplazamiento a una velocidad del cabezal de 5 mm/min.
Para la prueba de flexión se fabricaron probetas con dimensiones 4 x 6 x 57 mm de acuerdo con la norma ASTM E-290 12. Se optó por realizar dobleces en V, utilizando un punzón a 30° y una matriz a 80°; la carga aplicada fue de 45 kg/mm2. Para garantizar una interfaz punzón-pieza-matriz lubricada se recubrieron las piezas con película de polipropileno y el punzón fue cubierto en su punta con grasa de jabón de litio. En cada prueba se tomaron fotografías a las piezas cuando fueron sometidas a carga y cuando esta era retirada, posteriormente haciendo uso de software CAD, se midió el ángulo durante la aplicación (Acarga) y después de retirada la carga (Adescarga) para ver el efecto que este tenía sobre la pieza.
Los ensayos de impacto Charpy, se realizaron con probetas de 5 x 5 x 55 mm, con una profundidad de entalla de 1 mm y ángulo de 45° según la norma ATSM E-23 14. Las muestras fueron tratadas térmicamente y posteriormente mecanizadas.
Microestructura y Dureza
En las microestructuras tomadas con microscopio óptico en los aceros tratados térmicamente, se observa la presencia de las dos fases, correspondientes a la martensita (regiones oscuras), y a la ferrita (regiones claras).
En las microestructuras obtenidas mediante SEM de la Figura 4, se ve la diferencia entre los aceros tratados térmicamente y el acero en estado inicial (Figura 4a). Los que fueron sometidos a procesos de transformación presentan estructuras de grano acicular propias de la martensita.
Se empleó el método de la intercepción en mínimo cinco micrografías de cada tipo de material. El tamaño de grano en el tratamiento 1, es mayor que en el tratamiento 2 y 3; la causa más viable es el uso de medios de enfriamientos más severos para estos dos procesos, durante las diferentes etapas. Los tamaños de grano medidos son menores respecto al acero de fase dual obtenido por A.
Debido a las características del proceso el material al que se le realizó el tratamiento 1, presentó menor dureza, por el efecto de la recuperación del grano durante el normalizado. En el tratamiento 2 se puede ver el efecto del temple desde la temperatura de austenización e intercrítica, donde se produce la mayor densidad de dislocaciones generando una elevada dureza.
El tratamiento 3 tuvo valores intermedios de microdureza, debido al proceso de revenido posterior al temple el que genera una microestructura con menor dureza, a pesar de haber sido templado el material en NaOH.
En comparación con el material en estado inicial, todos los aceros tratados térmicamente presentan un incremento en su dureza. Para el tratamiento 1 se encuentra una disminución de la magnitud en el centro del material; este fenómeno sugiere una recuperación por las condiciones del proceso de normalizado previo al temple intercrítico, formando una ferrita de mayor tamaño y simetría en las dimenciones, lo que no sucede en los tratamientos 2 y 3 donde la dureza tuvo valores constantes en toda la sección.
La resistencia máxima y de fluencia del material aumentan en las muestras tratadas con respecto a la del acero en estado inicial, debido a la presencia de la fase martensitica y al aumento de la densidad de dislocaciones que se forman durante el proceso de transformación de austenita en martensita, como fue señalado por A. Kumar 17. En los valores de esfuerzo máximo es donde ocurren las diferencias mayores entre los aceros, lo que refleja diferente capacidad de endurecimiento en la región plástica del material.
En el tratamiento 2 las fases de martensita y ferrita permiten una combinación adecuada de resistencia y ductilidad que favorece la deformación del material sin que exista recuperación elástica excesiva o fractura de la muestra.
El tratamiento 1 y tratamiento 2, donde no se involucran deformaciones en caliente, presentan los mejores resultados brindando aceros con buenas características de resistencia mecánica y conformabilidad.
Tipos de acero y sus aplicaciones
- Acero al carbono: Utilizado en componentes estructurales generales debido a su bajo costo y buena resistencia.
- Acero de alta resistencia y baja aleación (HSLA): Ofrece una mayor resistencia con un peso reducido, mejorando la eficiencia de combustible y la seguridad.
- Acero de ultra alta resistencia (UHSS): Proporciona una excepcional resistencia para la protección contra impactos, utilizado en zonas críticas de la carrocería.
- Acero galvanizado: Recubierto con zinc para protegerlo contra la corrosión, prolongando la vida útil del vehículo.
- Acero perforado redondo de alta resistencia: Buena maquinabilidad, excelente soldabilidad y aptitudes apropiadas para el cromado.
- Acero inoxidable aleado con Cr, Ni, Mo: Posee buenas características de soldabilidad y es más resistente a la corrosión que otros aceros al cromo-níquel debido a la presencia de Molibdeno dentro de sus componentes, lo que le confiere una muy buena resistencia a la oxidación.
- Acero inoxidable aleado con Cr, Ni: Excelentes propiedades para la soldadura, ductibilidad y pulido. Buenas características de resistencia a la corrosión que lo hace apto desempeñarse bien en una amplia gama de ambientes corrosivos como aguas dulces y atmósferas naturales, incluyendo productos de petróleo calientes o con vapores de combustión de gases.
- Acero de bajo carbono: Utilizado para la cementación.
- Acero de bajo carbono con adición de plomo: Acero con muy alto índice de maquinabilidad diseñado para la fabricación de piezas confeccionadas en tornos automáticos con alta velocidad de corte. Posee excelente maquinabilidad, lo que aumenta la velocidad de corte y reduce el desgaste prematuro de las herramientas. Es recomendado para aplicaciones que requieran moderadas propiedades mecánicas.
Tabla Resumen de Propiedades y Tratamientos
| Tratamiento | Tamaño de Grano | Microdureza | Resistencia Máxima | Resistencia a la Fluencia | Observaciones |
|---|---|---|---|---|---|
| Estado Inicial | [Valor] | [Valor] | [Valor] | [Valor] | Falla dúctil con microvacíos |
| Tratamiento 1 | Mayor que 2 y 3 | Menor dureza | Aumenta con respecto al inicial | Aumenta con respecto al inicial | Recuperación del grano durante normalizado |
| Tratamiento 2 | Menor que 1 | Elevada dureza | Aumenta con respecto al inicial | Aumenta con respecto al inicial | Temple desde austenización e intercrítica |
| Tratamiento 3 | Menor que 1 | Intermedia | Aumenta con respecto al inicial | Aumenta con respecto al inicial | Revenido posterior al temple |
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