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Tesis

Reducción de la temperatura de transición dúctil frágil en aleaciones Fe-Al-V endurecidas por precipitación coherente L21

2019



TesistaUriel Alejandro STERIN
Ingeniero Civil - Universidad de Buenos Aires - Argentina
Magíster en Ciencia y Tecnología de Materiales - Instituto Sabato UNSAM/CNEA - Argentina
DirectoresDr. Pedro Antonio FERREIRÓS.   CNEA, UNSAM, UTN FR Buenos Aires, CONICET - Argentina
Dra. Paula Regina ALONSO.   CNEA, UNSAM - Argentina
Lugar de realizaciónDivisión Aleaciones Especiales - Gerencia Materiales - Gerencia de Área Energía Nuclear - Centro Atómico Constituyentes - CNEA - Argentina
Fecha Defensa27/02/2019
JuradoIng. Luis Alberto AGUIRRE.   YPF TECNOLOGÍA S.A. - Argentina
Dr. Gonzalo Roberto GOMEZ.   TENARIS SIDERCA, Universidad Austral - Argentina
Dr. José VILLASANTE.   TENARIS SIDERCA, UNSAM - Argentina
CódigoITS/TM 198/19

Título completo

Reducción de la temperatura de transición dúctil-frágil en aleaciones Fe-Al-V endurecidas por precipitación coherente L21

Resumen

Las aleaciones Fe-Al tienen una excepcional resistencia a la corrosión en altas temperaturas, baja densidad y un bajo costo de producción. Sin embargo, su reducida resistencia a la termofluencia ha limitado su aplicación en el entorno de los 600 ºC. El agregado de aleantes logró aleaciones intermetálicas que superaron esta deficiencia, pero las temperaturas de transición dúctil-frágil (BDTT) fueron tan elevadas que su aplicación quedó restringida. Una estrategia para evitar el uso de aleaciones intermetálicas es generar una matriz ferrítica dúctil (A2) endurecida por una fase coherente.

Investigaciones recientes mostraron prometedoras propiedades mecánicas en aleaciones Fe-Al-V endurecidas por la fase L21. Si bien las BDTT registradas en estas aleaciones siguen siendo elevadas, son sensiblemente inferiores respecto a otras aleaciones similares. El objetivo principal de este trabajo es la reducción de la BDTT en aleaciones Fe-Al-V fabricadas con materias primas comerciales. Para esto, fueron utilizadas herramientas metalúrgicas que modifican la microestructura de la aleación Fe-10Al-12V (A2+L21). La primera estrategia se basó en la hipótesis que la ductilidad puede ser aumentada por un refinamiento de grano. Para esto, se efectuó una secuencia termomecánica de forja a 1100 ºC y laminación a 950 ºC. Se lograron reducciones del grano primario (5 mm) de 20 a 50 veces por forja y 130 veces (38 μm) por laminación. A su vez, se realizó un tratamiento de crecimiento de grano para estudiar el desplazamiento en la BDTT. La segunda estrategia para mejorar la ductilidad consistió en el engrosamiento de los precipitados. Se efectuaron tratamientos térmicos a 700 ºC por 22 min (máximo endurecimiento), 5 h y 72 h (aleaciones sobreenvejecidas), determinando el tamaño promedio de los precipitados y la pérdida de dureza por engrosamiento.

Las BDTT determinadas en ensayos de impacto resultaron 485 °C y 509 °C para tamaños de grano de 38 μm y 75 μm, permitiendo comprobar que el refinamiento del grano reduce la BDTT. Por otro lado, el sobreenvejecimiento de la aleación causó una fuerte disminución de la BDTT, resultando 409 °C y 345 °C para 5 h y 72 h respectivamente. Adicionalmente, fue fabricada una aleación Fe-8Al-8V compuesta por la fase A2, la cual resultó en una BDTT de 154 ºC, permitiendo establecer los límites inferiores que podrían alcanzarse en aleaciones bifásicas. Por último, fueron utilizados modelos teóricos para ajustar las mediciones experimentales, permitiendo identificar los parámetros microestructurales que influencian el desplazamiento de la BDTT.

Complete Title

Reduction of the brittle-to-ductile temperature transition in Fe-Al-V alloys strengthened by coherent L21 precipitation

Abstract

Fe-Al alloys have exceptional high-temperature corrosion resistance, low densities and low production cost. However, their reduced creep resistance has limited their application in the operating temperature range around 600 ºC. The addition of various alloying elements produced intermetallic alloys that overcame this deficiency, but the brittle to ductile transition temperatures (BDTT) were so high that their application was hindered. An alternative to avoid the use of intermetallic alloys is to generate a ductile ferritic (A2) matrix hardened by a coherent phase.

Recent studies showed promising mechanical properties in Fe-Al-V alloys hardened by coherent L21 precipitates. Although the BDTT measured in these alloys remain high for their application, they are significantly lower compared to other similar alloys. The aim of the present work is to reduce the BDTT of Fe-Al-V alloys fabricated with commercial raw materials. To achieve this goal, metallurgical techniques were used to modify the microstructure of the Fe-10Al-12V alloy (A2+L21). The first strategy to reduce the BDTT was based on the hypothesis that the ductility could be enhanced by grain refinement. Grain refinement was attempted by applying a thermomechanical sequence of forging (1100 ºC) and rolling (950 ºC). The grain was minimized 20 to 50 times by the forging process and it was reduced 130 times (up to 38 μm) by the subsequent rolling. Consecutively, a grain growth treatment was carried out to study the shift of the BDTT with the grain size. The second strategy was based in the hypothesis that precipitates growth could improve ductility. Heat treatments were carried out at 700 ºC during 22 min (peak hardening condition), 5 h and 72 h (overaged alloys). For each condition, it was determined the average size of the precipitates and the loss of hardness due to precipitate growth.

The determination of the BDTT was made by hot impact tests, resulting 485 ºC and 509 ºC for grain sizes of 38 μm and 75 μm at the peak hardening condition, proving that the grain refinement reduces the BDTT. On the other hand, the overaging of the alloy caused a sharp decrease in the BDTT, resulting in 409 ºC and 345 ºC for 5 h and 72 h respectively. In addition, a single phase A2 Fe-8Al-8V alloy was fabricated and tested in order to establish a lower limit reference for values that could be achieved in biphasic alloys. This reference resulted in a BDTT of 154 ºC. Finally, theoretical models were used to adjust the experimental measurements that allowed identifying the microstructural parameters that influence the shifts of the BDTT.

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