Difusión y atrapamiento de hidrógeno en aceros martensíticos-ferríticos con alto contenido de cromo. - Hurtado Noreña, Carolina (2012)
En los últimos años, la familia de aceros 9-12 porciento Cr ha sido objeto de diferentes estudios que involucran desde sus propiedades hasta su comportamiento frente a diversos ambientes y bajo diferentes condiciones metalúrgicas. Uno de los aspectos que ha despertado interés, es la formación de diferentes tipos de carburos y/o carbonitruros cuando estos aceros son tratados térmicamente y la influencia de estas partículas sobre propiedades tales como el creep y el comportamiento frente al hidrógeno. En esta tesis, se ha estudiado la influencia de la microestructura sobre el comportamiento frente al hidrógeno en dos aceros comerciales 9 porciento Cr en una amplia gama de condiciones metalúrgicas que abarcan desde una condición normalizada con una microestructura de martensita en listones, hasta una condición recocida cuya microestructura es una matriz ferrítica con carburos precipitados. Estos materiales en las diferentes condiciones metalúrgicas fueron caracterizados empleando varias técnicas y sometidas posteriormente a ensayos de permeación de hidrógeno en fase gaseosa con detección electroquímica. Los resultados mostraron una gran influencia de la condición metalúrgica sobre el atrapamiento de hidrógeno, el cual está principalmente relacionado con la densidad y naturaleza de las diferentes partículas precipitadas. En contraste, el papel de las dislocaciones sobre el atrapamiento de hidrógeno en estos aceros, parece ser de carácter secundario. Las técnicas antes mencionadas también se aplicaron a una aleación Fe-9 porciento preparada en el laboratorio. De esta manera se pudo establecer que la matriz retarda la difusión y contribuye al atrapamiento de hidrógeno, y a este efecto se suma el de las partículas precipitadas y el de las dislocaciones antes mencionados. El comportamiento experimental de la aleación Fe-9 porciento está soportado por cálculos teóricos vía métodos ab-initio considerando el sistema Fe-Cr-H, empleando el código SIESTA basado en la teoría del funcional de la densidad (DFT). Estos cálculos predicen que en las vecindades del átomo sustitucional de Cr aparecen sitios donde el H se estabiliza y paralelamente se incrementa la barrera de energía para la migración del H. Las barreras de migración se calcularon empleando el método del Monómero acoplado al código SIESTA. En los últimos años, la familia de aceros 9-12 porciento Cr ha sido objeto de diferentes estudios que involucran desde sus propiedades hasta su comportamiento frente a diversos ambientes y bajo diferentes condiciones metalúrgicas. Uno de los aspectos que ha despertado interés, es la formación de diferentes tipos de carburos y/o carbonitruros cuando estos aceros son tratados térmicamente y la influencia de estas partículas sobre propiedades tales como el creep y el comportamiento frente al hidrógeno. En esta tesis, se ha estudiado la influencia de la microestructura sobre el comportamiento frente al hidrógeno en dos aceros comerciales 9 porciento en una amplia gama de condiciones metalúrgicas que abarcan desde una condición normalizada con una microestructura de martensita en listones, hasta una condición recocida cuya microestructura es una matriz ferrítica con carburos precipitados. Estos materiales en las diferentes condiciones metalúrgicas fueron caracterizados empleando varias técnicas y sometidos posteriormente a ensayos de permeación de hidrógeno en fase gaseosa con detección electroquímica. Los resultados mostraron una gran influencia de la condición metalúrgica sobre el atrapamiento de hidrógeno, el cual está principalmente relacionado con la densidad y naturaleza de las diferentes partículas precipitadas. En contraste, el papel de las dislocaciones sobre el atrapamiento de hidrógeno en estos aceros, parece ser de carácter secundario. Las técnicas antes mencionadas también se aplicaron a una aleación Fe-9 porciento preparada en el laboratorio. De esta manera se pudo establecer que la matriz retarda la difusión y contribuye al atrapamiento de hidrógeno, y a este efecto se suma el de las partículas precipitadas y el de las dislocaciones antes mencionados. El comportamiento experimental de la aleación Fe-9 porciento está soportado por cálculos teóricos vía métodos ab-initio considerando el sistema Fe-Cr-H, empleando el código SIESTA basado en la teoría del funcional de la densidad (DFT). Estos cálculos predicen que en las vecindades del átomo sustitucional de Cr aparecen sitios donde el H se estabiliza y paralelamente se incrementa la barrera de energía para la migración del H. Las barreras de migración se calcularon empleando el método del Monómero acoplado al código SIESTA. El trabajo consistió en tres etapas. En un principio, se estudió de manera preliminar la EA proveniente de ensayos de torneado, lo que permitió un acercamiento al tema. Luego, en las etapas segunda y tercera, se efectuaron sendos experimentos de taladrado, siendo el último el de mayor relevancia. En la segunda etapa, también considerada como preliminar, se taladraron probetas planas de acero con mechas que representaban dos casos extremos del desgaste de sus filos: sanos y craterizados. Entonces, se compararon para ambos casos los distintos parámetros de la EA obtenida en el corte. A partir de este experimento se obtuvieron resultados alentadores respecto al uso de un parámetro definido en este trabajo, que fue denominado 'Potencia MARSE media' de la EA o 'Potencia Media' [PM] [adonde MARSE es 'Measured Area under the Rectified Signal Envelope']. Dadas las limitaciones de los estudios de las etapas preliminares, se procedió a la realización de una tercera etapa experimental más robusta. En esta parte del trabajo se construyó un número grande de probetas con forma de cilindro hexagonal de acero con buena homogeneidad, las cuales fueron consecutivamente taladradas en su centro con mechas con ocho condiciones distintas que contemplaban los casos de filos en buen estado y dañados así como deterioro en las esquinas externas. El desgaste artificial se efectuó mecánicamente y por electroerosión, y el avance del daño fue monitoreado por microscopía electrónica de barrido [MEB]. Durante el corte se registraron los parámetros característicos y las formas de onda de la EA, así como el torque. Para las distintas condiciones de las mechas se estudió la relación entre la PM de la EA y el torque. De esta forma, se encontró que ambos parámetros están relacionados linealmente entre sí. Además, se analizó la evolución de la variancia móvil de la PM de la EA en función de su media móvil, dando interesantes resultados para la determinación del estado de la herramienta. Se observó que en un plano formado por las dos variables mencionadas, cada caso de desgaste se distribuye en una región [o clúster] definida, lo cual permitiría, en las condiciones de corte estudiadas, determinar en qué estado de desgaste se encuentra la herramienta de corte. Por otro lado, en el análisis de las formas de onda de EA, se instaló un criterio de selección de señales que permitió conservar solo las procedentes de fuentes de EA [en el corte] relacionadas con la fricción y la deformación plástica. A estas señales se les calculó la potencia espectral, y separando la potencia en bandas de frecuencia se comprobó que podrían discriminarse los casos de las mechas con distinto grado de desgaste, a partir de la evolución de la potencia de cada banda. También se observó la posibilidad de clasificar la condición de la mecha a partir del conteo del número de formas de onda de EA cuasi-estacionarias. Finalmente, comparando los resultados de la PM obtenidos por medio de los parámetros, con aquellos obtenidos con las formas de onda de las señales cuasi-estacionarias, se pudo estimar la PM de la EA generada por la rotura de la viruta durante el corte.