ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO BILINEAL EN LA CURVA COFFIN-MANSON Y EL ROL DE LA MICROESTRUCTURA EN UN ACERO BAINITICO DIN 10027-1

MARINELLI MARÍA CECILIA

Mar del Plata

Congreso; 20º Congreso Internacional de Materiales; 2022

Asociación Argentina de Materiales

Debido a la forma simple de la relación Coffin-Manson, los ingenieros la emplean con frecuencia para estimar el desempeño de un material en términos de resistencia a la iniciación de fisuras por fatiga de bajo número de ciclos (LCF). De hecho, la relación lineal en un diagrama logarítmico es muy conveniente para estimar la vida a la fatiga cuando el material está sujeto a un rango de deformación plástica cíclica [1]. Aunque la mayoría de los materiales puros e ingenieriles obedecen a esta relación y se pueden describir con una ecuación simple, pueden existir algunas excepciones donde se necesiten dos ecuaciones en un rango de deformación plástica. La razón de esto no está relacionada con la dispersión de datos, sino con la microestructura que controla el mecanismo de iniciación de fisuras. Este comportamiento es frecuentemente observado en aleaciones de niquel. El cambio en la pendiente se lo atribuye a la dependencia con el modo de deformación, desde micromaclas a bandas de deslizamiento a medida que incrementa la amplitud de deformación plástica, así como al cambio en el modo de iniciación de fisuras desde transgranular a bajas deformaciones a intergranular a altas deformaciones [2]. También se ha observado el comportamiento bilineal en aceros duales ferríticos-martensíticos [3] y fue atribuido al cambio en el modo de fractura desde fractura dúctil a bajas deformaciones a fractura tipo frágil a altas deformaciones. Por otra parte, este cambio en la pendiente también fue reportado en aceros bainíticos con y sin formación de carburos [4,5]. De hecho, los autores informaron que este comportamiento podría estar relacionado con la estabilidad de la microestructura, el cambio en el número de sistemas de deslizamiento operantes y el cambio en el mecanismo de fractura al aumentar la amplitud de la deformación plástica. Sin embargo, no existe ningún estudio fehaciente en aceros bainíticos que muestre lo antedicho. Por lo tanto, con el objetivo de interpretar la bilinealidad en la curva Coffin-Manson se analiza la influencia de la deformación plástica en la microestructura del grano bainítico (listones, bloques y paquetes) con el modo de iniciación y propagación de microfisuras. El material empleado es un acero comercial DIN 10027-1 con una estructura de bainita inferior obtenida mediante una transformación isotérmica en el rango de temperaturas entre 300-500oC. Este acero presenta una distribución de paquetes, formados por bloques de listones de bainita. Entre los bordes de bloques y listones se observó, mediante TEM, una fina capa de austenita retenida. Los estudios realizados con RX revelaron un 5% en volumen de austenita retenida. Con el fin de obtener la curva Coffin-Manson, ensayos de fatiga a deformación plástica controlada fueron realizados en probetas cilíndricas, considerando los siguientes rangos Δεp= 0.1%, 0.15%, 0.2%, 0.25% y 0.3%. En la Figura 1 se aprecia una diferencia de pendiente a Δεp / 2 = 1 x 10 -3 . Con el objetivo de interpretar el comportamiento bilineal se propone un seguimiento in-situ, mediante una cámara CCD incorporada a la máquina de ensayos, de la evolución de la microestructura y el comportamiento de las microfisuras en probetas cilíndricas con una entalla central. Las probetas con entalla fueron fatigadas a un rango de deformación plástica de p = 0.1%, 0.2% y 0.3% . En orden de determinar los sitios de iniciación y propagación de fisuras, el mapa de orientación de forma de grano, junto con los sistemas de deslizamiento y sus correspondientes factores de Schmid y de Taylor fueron calculados usando los datos obtenidos por EBSD. Los resultados mostraron que el cambio de pendiente a Δεp = 0.2 % está relacionado con el cambio en el modo de iniciación de fisuras, así como el cambio en el modo de propagación de fisuras. Es decir, a baja deformación plástica (Δεp = 0.1 %) las fisuras inician en listones de bainita orientados sobre los sistemas de deslizamiento primarios y la propagación toma lugar sobre planos de deslizamiento {110} cuyas trazas en la superficie se encuentran a 135o respecto del eje de tensión como puede apreciarse en la Figura 1. Contrariamente, a altas deformaciones plásticas (Δεp = 0.3 %) los resultados mostraron que las fisuras se originan principalmente en bordes de bloques de alto ángulo (ver perfiles de desorientación en la Figura 1) como consecuencia de una alta deformación plástica localizada y una consecuente rotación de la red cristalográfica. Con respecto a la propagación de fisuras se presenta en forma transgranular o intergranular dependiendo de la orientación de los bloques bainíticos respecto del eje de carga, de la coplanaridad de los planos de deslizamiento adyacentes y del tipo de borde de bloque o paquete. En la transición, es decir a Δεp = 0.2%, se observan fisuras nucleadas tanto en bordes de bloques de alto ángulo (encerradas con una elipse en la Figura 1) como fisuras iniciadas en sistemas de deslizamiento. Sin embargo, con respecto a la propagación de fisuras se observa sólo una propagación de tipo transgranular a 135o respecto del eje de tensión como se indica en la imagen central de la Figura 1).