Tasa de endurecimiento por trabajo del acero inoxidable austenítico: implicaciones para el conformado en frío

¿Qué es la tasa de endurecimiento por trabajo y por qué controla el comportamiento de conformado en frío-en acero inoxidable austenítico?

La ecuación de Hollomon describe la tensión verdadera-la curva de deformación verdadera en la región de deformación plástica uniforme-antes de que comience el estrechamiento. K es el coeficiente de resistencia y n es el exponente de endurecimiento por deformación-: cuanto mayor es n, más aumenta la resistencia del material a una mayor deformación para un incremento dado de deformación. Debido a que n también es igual a la deformación verdadera al inicio del estrechamiento (según el criterio de Considère), un valor n-alto es un indicador directo de cuánto se puede estirar o estirar una hoja antes de que comience a adelgazarse localmente y falle.

Para un fabricante, este único número explica varias cosas que se observan en el taller a la vez: por qué la lámina de acero inoxidable requiere más tonelaje que el acero suave para el mismo doblez o estirado, por qué la superficie de una pieza de acero inoxidable formada es considerablemente más dura que la lámina tal como-recibida y por qué una pieza que se veía bien a mitad de estirado-aún puede estirarse exitosamente a través de una operación profunda que habría dividido un material de menor-n.

¿Por qué los grados austeníticos funcionan-se endurecen más rápido que el acero ferrítico, dúplex y al carbono?

La energía de falla de apilamiento (SFE) gobierna la facilidad con la que las dislocaciones pueden reorganizarse durante la deformación. En el acero inoxidable austenítico, un SFE bajo hace que las dislocaciones se dividan en dislocaciones parciales que no pueden deslizarse fácilmente hacia un nuevo plano. En lugar de aniquilarse o reorganizarse en configuraciones de menor-energía, las dislocaciones se acumulan y se enredan, y la resistencia del material a un mayor flujo aumenta abruptamente con la tensión. Los aceros ferríticos y al carbono tienen una red cúbica centrada en el cuerpo (BCC) con mayor SFE, por lo que las dislocaciones se recuperan más fácilmente y la tasa de endurecimiento es menor.

Los grados austeníticos metaestables -, en particular 301 -, añaden el efecto TRIP. A medida que el material se deforma, algo de austenita (FCC, no magnética) se transforma en martensita (tetragonal centrada en el cuerpo, magnética y mucho más dura). Esta transformación absorbe energía e introduce una segunda fase dura en una matriz dúctil, razón por la cual el 301 en particular puede alcanzar una resistencia muy alta únicamente mediante trabajo en frío, sin ningún tratamiento térmico involucrado. Los grados dúplex se encuentran en el medio: debido a que aproximadamente la mitad de su estructura ya es ferrita, su valor n-en masa es generalmente más bajo que el de un grado completamente austenítico, aunque la fracción de austenita dentro de una microestructura dúplex aún puede endurecerse mediante los mismos mecanismos relacionados con TRIP-.

Comparativa de exponentes de endurecimiento-por familia de acero

n-valores compilados a partir de literatura publicada sobre pruebas de tracción-y datos técnicos del molino bajo condiciones de prueba ASTM E646. Los valores reales varían según el rango de deformación, la dirección de rodamiento, el calibre y el trabajo en frío previo; Trátelos como rangos de planificación de etapa de diseño-, no como propiedades mecánicas certificadas. Confirme con el informe de prueba del molino (MTR) para un calor y temple específicos.

¿Cómo cambia el efecto TRIP el endurecimiento por trabajo en grados metaestables como el 301?

Md30 se define como la temperatura a la cual el 30% de deformación verdadera produce un 50% de transformación en martensita. Es una propiedad-impulsada por la composición: un menor contenido de níquel y un menor contenido intersticial (carbono más nitrógeno) aumentan el Md30, lo que significa que el material se transforma más fácilmente a temperatura ambiente. Esta es exactamente la lógica de diseño detrás del 301 en relación con el 304 - 301 que lleva menos níquel específicamente, por lo que se endurecerá-y ganará resistencia más rápido durante el conformado en frío, con cierto costo en cuanto a resistencia a la corrosión y margen de conformado en comparación con el 304.

La implicación práctica para una línea de formado es doble. En primer lugar, la resistencia y la dureza no son propiedades fijas del material para un grado metaestable como lo son para una aleación-tratada térmicamente -, sino que son una función de cuánta tensión y a qué velocidad y temperatura se ve realmente la pieza, lo que significa que la repetibilidad del proceso (fuerza del soporte de la pieza en bruto, velocidad de extracción, temperatura del troquel) es parte de la especificación, no solo del certificado de fábrica. En segundo lugar, debido a que el riesgo de agrietamiento retardado en las piezas embutidas-profundas se correlaciona con la combinación de contenido de Md30 y (C+N), los grados y los calores con un Md30 más alto necesitan relaciones de estiramiento más conservadoras, más etapas de conformado e inspección más cercana para las piezas que verán tensión residual sostenida en servicio.

¿Qué procesos-de conformado en frío se ven más afectados por una alta tasa de endurecimiento por trabajo?

Embutición profunda y estampado

Debido a que la tensión de flujo aumenta abruptamente con la tensión, la carga del punzón y la fuerza del soporte-de la pieza en bruto aumentan a medida que avanza el estirado, y el riesgo de división aumenta hacia el radio del punzón y la esquina del troquel donde la tensión se concentra primero. Los estiramientos de varias etapas son la mitigación estándar: reducir la relación de estiramiento tomada por etapa e insertar un proceso (solución) de recocido entre las etapas para restaurar la ductilidad antes de la siguiente reducción, en lugar de intentar la reducción completa en una sola pasada, como se podría hacer con el acero dulce.

Doblado y perfilado

Doblar acero inoxidable austenítico requiere un radio de curvatura mínimo mayor que el acero al carbono del mismo- calibre para evitar el agrietamiento de la superficie de la fibra exterior, y produce más recuperación elástica porque la recuperación del módulo elástico después de la descarga interactúa con un material que ya se ha endurecido sustancialmente en la zona de curvatura. La compensación de recuperación elástica - sobreflexión o el aumento de la fuerza de flexión aplicada - es una práctica estándar y debe validarse mediante prueba o simulación en lugar de asumirse a partir de datos de herramientas de acero al carbono-.

Mecanizado después del conformado

Un efecto relacionado, a menudo subestimado, aparece en el mecanizado secundario: cada corte deja una fina capa{0}}endurecida en la superficie, por lo que un corte posterior ligero o interrumpido puede desplazarse sobre el material endurecido en lugar de cortarlo, acelerando el desgaste de la herramienta. Los datos de maquinabilidad para 304 versus un acero al carbono medio-típico (1045) ilustran la misma brecha de valor n-que se discutió anteriormente y son un indicador útil de cómo se comportará el material en cualquier operación de deformación repetida-, incluido el conformado.

301 vs. 304 vs. 316: ¿Qué grado debería elegir para una aplicación de conformado-en frío?

Compilado a partir de datos de especificaciones ASTM A240/A666 y hojas de datos técnicos de fábrica publicadas para templados recocidos y laminados en frío-. Verifique las propiedades mecánicas exactas y la designación del temperamento con el informe de prueba de fábrica específico antes de finalizar el diseño de las herramientas.

¿Cómo se compensa la alta tasa de endurecimiento por trabajo en el diseño de herramientas y procesos?

Aumentar el espacio libre de troqueles y punzones en relación con las herramientas de acero al carbono-para adaptarse a una mayor tensión de flujo y reducir la irritación; Confirme la autorización específica mediante prueba para el grado, temperamento y calibre en uso.

Utilice radios de curvatura y punzonado mayores que los del equivalente de acero al carbono-para evitar el agrietamiento de la fibra-exterior, ya que la ductilidad del material se va consumiendo progresivamente con el trabajo en frío.

Reduzca la relación de estiramiento tomada por etapa en la embutición profunda e inserte un proceso (solución) de recocido - generalmente en el rango de 1010-1100 grados con enfriamiento rápido para grados austeníticos estándar, entre etapas para restaurar la ductilidad antes de la siguiente reducción.

Especifique aceros para herramientas-resistentes al desgaste (como D2 o M2) o matrices recubiertas, ya que el mismo valor alto de n-que fortalece la pieza también acelera el desgaste abrasivo de la herramienta.

Utilice lubricantes de formación libre de cloruro-; Los cloruros residuales atrapados en una pieza de acero inoxidable conformada bajo tensión residual de tracción representan un riesgo reconocido de agrietamiento por tensión-corrosión-.

Valide la recuperación elástica con piezas de prueba o simulación de conformado en lugar de compensaciones de herramientas de acero al carbono-e incorpore una fuerza de flexión excesiva o aumentada según sea necesario.

Para grados metaestables que funcionan cerca de su temperatura Md30, controle la velocidad de extracción y la temperatura de la pieza, ya que la fracción de martensita - y, por lo tanto, la resistencia final, la ductilidad y el riesgo de agrietamiento - dependen del proceso-y no están determinados únicamente por el certificado de la fábrica.

¿Qué métodos de prueba y estándares cuantifican la tasa de endurecimiento del trabajo para adquisiciones y control de calidad?

ASTM E646 define cómo se calcula el valor n-a partir de la tensión verdadera-curva de deformación verdadera dentro de un rango de deformación plástica-especificado, lo cual es esencial porque n no es una constante fija única para un material -, puede variar algo con el intervalo de deformación utilizado, la temperatura de prueba y la dirección de laminado de la lámina. Cuando el comportamiento de endurecimiento por trabajo es un insumo de diseño crítico, no solo una expectativa general, especifique el rango de prueba E646 en la orden de compra junto con el material base y el estándar de templado, y solicite los datos de prueba reales en el informe de prueba de fábrica (MTR) en lugar de confiar únicamente en los rangos típicos publicados.

Preguntas frecuentes

P: ¿Una mayor tasa de endurecimiento por trabajo significa que el acero inoxidable austenítico es más difícil de moldear en frío que el acero al carbono?

R: No necesariamente. El mismo valor alto de n-que aumenta las cargas de formación también retrasa la aparición de estrías localizadas, razón por la cual el acero inoxidable austenítico a menudo se puede estirar o estirar más que el acero al carbono antes de dividirse. La compensación-es un mayor tonelaje de prensa requerido, más recuperación elástica y un desgaste más rápido de la herramienta, no una menor conformabilidad.

P: ¿Por qué el acero inoxidable 301 se vuelve magnético después de formarse cuando comienza como no magnético?

R: El trabajo en frío por debajo de la temperatura Md30 de la aleación convierte una porción de la austenita FCC no magnética en martensita tetragonal -centrada- de cuerpo magnético. Esta transformación-plasticidad inducida (efecto TRIP) es intencional en 301 y es la razón principal por la que puede alcanzar una resistencia muy alta solo mediante trabajo en frío.

P: ¿Qué estándar de prueba mide el exponente de endurecimiento por deformación-(valor n-)?

R: ASTM E646 es el método de prueba estándar para determinar el exponente de endurecimiento por deformación-y el coeficiente de resistencia a partir de una prueba de tracción. Debe especificarse junto con el estándar del material base (ASTM A240 para placas y láminas, o ASTM A666 para tiras laminadas en frío-) cuando el valor n-es un insumo de conformado crítico.

P: ¿Puede el recocido restaurar la ductilidad del acero inoxidable después del conformado en frío?

R: Sí. Un recocido de proceso (solución), generalmente en el rango de 1010 a 1100 grados, seguido de un enfriamiento rápido para los grados austeníticos estándar, disuelve los carburos y restaura la estructura de austenita FCC, restableciendo la ductilidad antes de la siguiente etapa de formación.

P: ¿El acero inoxidable dúplex es más o menos endurecible-que los grados austeníticos como el 304?

R: Generalmente menos, en términos de volumen. Debido a que aproximadamente la mitad de una microestructura dúplex es ferrita, que se endurece por trabajo-más lentamente que la austenita, el valor n-general de un grado dúplex suele ser menor que el de un grado totalmente austenítico, aunque la fracción de austenita dentro de la estructura dúplex todavía puede contribuir al endurecimiento relacionado con TRIP-.

P: ¿Qué grado austenítico es la opción predeterminada cuando el comportamiento de endurecimiento por trabajo no es el factor decisivo?

R: 304 es el valor predeterminado-de uso general para estampados y piezas dibujadas. Utilice 301 específicamente cuando el diseño pretenda aprovechar el refuerzo por trabajo en frío-y especifique 316 cuando la exposición al cloruro o a sustancias químicas en servicio supere las consideraciones de conformación.

Resumen

La tasa de endurecimiento por trabajo no es un efecto secundario para diseñar en el conformado en frío de acero inoxidable austenítico - es una propiedad central del material que debe impulsar la selección de calidad, selección de temple y diseño de herramientas desde el principio. Un exponente de endurecimiento por deformación-de 0,40 a 0,55, impulsado por una baja energía de falla de apilamiento y, en grados metaestables, el efecto TRIP, brinda a los grados austeníticos una ventaja (resistencia al estrechamiento localizado) y un conjunto de requisitos de proceso (mayor tonelaje, mayores espacios libres, recocido entre pasadas, control de recuperación elástica) que difieren materialmente de la práctica del acero al carbono.

Hacer coincidir el grado, el temple y el proceso con la operación de conformado específica - en lugar de optar por un solo grado o una receta de proceso de acero al carbono-- es la diferencia entre una pieza que se forma limpiamente y una que se parte, se arruga o falla posteriormente en el servicio.