Desarrollo de microestructuras de alta resistencia a fluencia en aceros ferríticos-martensíticos 9Cr a través de la optimización del procesado o la composición química

Resumen

La temperatura máxima de operación de los aceros ferríticos/martensíticos 9Cr está en 620 °C debido a su baja estabilidad microestructural a temperaturas más elevadas. La microestructura de estos aceros está compuesta por martensita revenida con una alta densidad de dislocaciones. Durante la fluencia, esta microestructura evoluciona hacía una microestructura más estable de ferrita y precipitados. Esta recuperación de la microestructura produce una caída de la resistencia por una disminución en la densidad de dislocaciones y engrosamiento de las lajas, paquetes y bloques martensíticos. El engrosamiento de estas características microestructurales y la caída en la densidad de dislocaciones está impedido por dos tipos de precipitados, los M23C6 y los MX. Los M23C6 son carburos groseros enriquecidos en Cr localizados en los límites de laja y bloque martensítico y en los límites del grano austenítico previo. El principal problema de estos carburos es que tienen una velocidad de engrosamiento muy elevada, lo cual limita su capacidad para evitar el movimiento de los límites de bloque y laja martensítica durante la fluencia. El otro tipo de precipitados, los MX, son carbonitruros ricos en V y Nb, se sitúan dentro de las lajas martensíticas y poseen un tamaño inferior al de los carburos M23C6. Lo interesante de estos carbonitruros es su alta estabilidad térmica en el rango de temperaturas dónde se produce la fluencia, lo cual los presenta como unos obstáculos muy efectivos para pinzar las dislocaciones durante este proceso y retardar la degradación microestructural. El objetivo de esta tesis se centra en desarrollar, en estos aceros, microestructuras que posean una mayor estabilidad a fluencia que las microestructuras actuales. Para lograr ésto, se ha considerado la alta estabilidad térmica de los precipitados MX y se ha asumido que, si se consigue una alta densidad en número dentro de las lajas martensíticas de estos precipitados, la resistencia a fluencia será mejorada considerablemente. Para alcanzar este objetivo se van a utilizar dos estrategias. Una de ellas consiste en aplicar un tratamiento termomecánico a un acero comercial, como ruta de procesado alternativa a la actual. La otra consiste en desarrollar nuevas composiciones de acero conservando la ruta de procesado convencional (que no incluye un tratamiento termomecánico como se describirán más adelante). Los resultados obtenidos mediante la aplicación del tratamiento termomecánico muestran importantes mejoras en cuanto a la resistencia a fluencia comparado con el acero comercial procesado convencionalmente. Sin embargo, junto con esta mejora de resistencia a fluencia se observa una considerable caída en la ductilidad de fluencia, lo cual limita su uso por motivos de seguridad. La mejora en la resistencia a fluencia se atribuye a la mayor densidad numérica de precipitados MX. La caída en la ductilidad se relaciona con el aumento del tamaño de grano austenítico producido por la mayor temperatura de austenización del tratamiento termomecánico comparada con la temperatura de austenización del tratamiento convencional. Con respecto a los resultados obtenidos para el nuevo grado de aceros denominados HDSN (High Density of Stable Nanoprecipitates), la resistencia a fluencia es similar a la del acero comercial tratado termomecánicamente, pero sus valores de ductilidad a fluencia son superiores a éste y similares a los del acero comercial tratado convencionalmente. Estos valores similares de resistencia a fluencia se relacionan con una parecida distribución de precipitados MX. Por otro lado, los valores de ductilidad a fluencia se atribuyen a la temperatura de austenización convencional empleada y al papel de los precipitados MX que no han sido disueltos durante la austenización, los cuales son capaces de pinzar el grano austenítico durante la austenización impidiendo su crecimiento.