LA FORMACIÓN DE MARTENSITA EN ACEROS INOXIDABLES BAJO CARGA TRANSITORIA ABSTRACT Se presenta un modelo de fase de campo elastoplástico 3D para estudiar la formación de martensita en aceros inoxidables bajo carga transitoria. Se considera endurecimiento por deformación isótropa lineal. Nuestros resultados muestran que varias combinaciones de variantes de martensita, que minimizan la energía mecánica y maximizan la fuerza impulsora neta disponible, se ven favorecidas bajo diferentes direcciones de carga c arga transitorias. Las propiedades mecánicas de los aceros bajo carga transitoria dependen de la dirección de la carga. Las áreas donde se aplica la carga, es decir, los límites de grano, se convierten en sitios de nucleación martensita favorables. INTRODUCCION Aceros son uno de los materiales de ingeniería más importantes debido debido a sus excelentes propiedades mecánicas combinadas con una relativamente baja costo. En muchos tipos de aceros de alta resistencia, la alta resistencia se debe a una microestructura martensítica. La martensita, en aceros, se puede formar en 24 2 4 diferentes variantes cristalográficos [1] y las combinaciones de diferente variantes podrían dar lugar l ugar a diferentes propiedades mecánicas. Como martensita También se pueden formar en los componentes de acero durante el servicio, es esencial para entender la formación de diferentes variantes en diversas condiciones de termo-mecánicas, por ejemplo, bajo carga transitoria que podría ocurrir durante un accidente automovilístico. Por lo tanto, es esencial para estudiar a fondo los mecanismos de formación de martensita Modelado de la Fase de campo [2], ha sido utilizado con éxito para estudiar la transformación martensítica en diferentes condiciones termomecánicas [3-16]. En el presente trabajo, se estudia la formación de martensita en aceros inoxidables con carga transitoria mediante el uso de un modelo de fase de campo elastoplástico 3D y mediante el método de elementos finitos [4]. MODELO DE LA FASE DE CAMPO La evolución microestructura se rige por el campo de fase ecuación:
donde G es la energía de Gibbs, ηq es la variable de campo de fase que realiza el seguimiento
de la evolución de la martensita, v es el número total de variantes de martensita y Lpq es una matriz de parámetros cinéticos. Como las 24 variantes de martensita diferentes se pueden agrupar en tres grupos Bain [17,18], tres variables fase de campo se consideran en el presente modelo [10]. Desde un punto de vista físico, la energía de Gibbs consiste en tres piezas
donde Gchem V corresponde a la parte química de la energía de Gibbs densidad, Ggrad V es el término de energía del gradiente y Gel V es la densidad de energía de deformación elástica. Gchem V se expresa como un tipo de Landau polinomio [4,5]
donde Vm es el volumen molar y los coeficientes A, B, y C se expresado en términos de la barrera de energía de Gibbs y la conducción vigor [4]. GgradV se expresa como [4,5]
donde r(x; y; z) es el vector posición expresada en coordenadas car tesianas. βij es la matriz de coeficiente de gradiente expresado en términos de la energía interfacial, el volumen molar y la barrera de energía de Gibbs. GELV se puede expresar como
donde Cijkl es el tensor de módulos elásticos, ε0ijðrÞ es la cepa de transformación libre de estrés se expresa en términos de ηq y Bain cepas εijðrÞ es la deformación total y εel klðrÞ es la
deformación elástica, dada por
Donde εpl klðrÞ es la deformación plástica. La evolución de la deformación plástica εplijðrÞ, que viene a la existencia cuando la tensión
elástica excede el límite elástico y el material se somete a una deformación plástica, se rige por [4,19]
donde Gshear v es la densidad de energía de cizallamiento, kijklð ¼ de KC1 ijkl Th es el coeficiente cinético de plástico y k es el índice de relajación de plástico. Endurecimiento por deformación isótropo lineal es considerado por el uso de la siguiente expresión [20]
donde SY es la tensión de fluencia del material que depende de la deformación plástica, sy 0 es la tensión inicial de rendimiento, H es el endurecimiento módulo y εplðrÞ es la deformación
plástica equivalente de von Mises. Finalmente la cepa total se calcula mediante la resolución de la mecánica ecuación de equilibrio
donde ε00kl DPTH es la cepa Bain [4].
Los datos de simulación de entrada correspondientes a los aceros inoxidables con un composición de Fe-17% Cr-7% de Ni, expresado en porcentaje en peso, es adquiridos de diversas fuentes, tales como CALPHAD, ab initio cálculo donde ε00kl DPTH es la cepa Bain [4].
Los datos de simulación de entrada correspondientes a los aceros inoxidables con un composición de Fe-17% Cr-7% de Ni, expresado en porcentaje en peso, es adquiridos de diversas fuentes, tales como cálculos y experimentos initio CALPHAD, ab. Los siguientes datos de entrada se considera en las simulaciones: A ¼ 1,188 J / mol, B ¼ 3,564 J / mol, C ¼ 2,376 J / mol, L ¼ 1 m3 s1 J1, β ¼ 0.10611010 J / m, Vm ¼ 7 106m3 / mol, cepas Bain se ε1 ¼ 0:1316 y 0:1998 ε3 ¼, las constantes elásticas de austenita son C11 ¼ 209 GPa, C12 ¼ 133 GPa y C44 ¼
121 GPa, constantes elásticas de martensita son C11 ¼ 248 GPa, C12 ¼ 110 GPa y
La figura. 1. (A) Esquema del grano, que muestra las direcciones transitorios de carga (flechas) y los límites de los granos sometidos a carga (líneas de trazos). Microestructuras martensíticas formado bajo diferentes direcciones de carga a lo largo de la (b) del eje X, (c) del eje Y, y (d) El eje Z. Iso-superficies de variantes de martensita 1, 2 y 3 se representan en rojo, azul y verde, respectivamente. Variantes de martensita que minimizan la energía mecánica y maximizan la fuerza impulsora neta se forman, tanto en el interior del grano y en el límite de grano que se somete a carga. (Para la interpretación de las referencias a color en esta figura de leyenda, se remite al lector a la versión web de este artículo.)
C44 ¼ de 120 GPa, SY 0 (ausentita) ¼ de 500 MPa, SY 0 (martensita) ¼ de 800 MPa, H ¼ de 738 MPa, y k ¼ 0,2 GPA1 S1. Más detalles se presentan en la nuestros trabajos anteriores [11,13]. Un dominio de simulación cúbico de 1 m de longitud se considera como una sola grano de austenita, donde los lados del dominio de la simulación se considerarse como los límites de grano. La simulación se realiza a una temperatura constante de 333 K. Una martensita esférica preexistente embrión de 0:2 tamaños de micras se considera en el centro del grano. Nosotros hemos considerado un embrión esférico porque un embrión elipsoidal con orientaciones diferentes puede dar lugar a diferentes microestructuras [8]. Con el fin de simular la carga transitoria, un esfuerzo de compresión uniaxial de 10 GPa se aplica sobre uno de los bordes de los granos de sólo un tiempo muy corto, es decir, (tiempo adimensional) TN ¼ 1, y a partir de entonces la carga se libera completamente. Dirichlet (fijada) se consideran las condiciones de contorno. Diferentes simulaciones se llevan a cabo, mediante el software FemLego [21,22], mediante la aplicación de la tensión transitoria en diferentes límites de grano, es decir, a lo largo de diferentes direcciones cristalográficas. 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Las microestructuras obtenidas bajo carga transitoria a lo largo de la X-, Y-y Z-ejes se muestran en la figura. 1. El transitorios exposiciones martensita inducida por tensión morfología listón-como, como se muestra en la figura. 1. Debido a la energía termomecánico combinado, transformación martensítica se produce tanto en el interior del grano y en el límite de grano que ha sido sometido a una carga. Las diferentes combinaciones de variantes de martensita son favorecidos con diferentes direcciones de carga. Además, los diferentes conjuntos de variantes se forman en el interior del grano en comparación con aquellos en los límites de grano. Aunque el dominio de simulación cúbico es simétrica, las propiedades elásticas anisótropas del material hacen que sea asimétrica y por lo tanto diferentes variantes de martensita se forman bajo diferentes direcciones de carga. Las variantes que minimizan la energía mecánica y maximizar la fuerza impulsora neta disponible son favorecidos [10]. La formación de martensita en aceros de bajo compresión está de acuerdo con las observaciones experimentales [23,24]. Sin embargo, los experimentos corresponden a la formación de martensita bajo compresión de choque. La figura. La figura 2 muestra que el interior del grano transforma anterior que los límites de grano. La figura. 3 muestra que la transformación inicia en los bordes de los granos después de las variantes que crecen desde dentro de hacer contacto con los bordes de grano. Esto es debido a la efecto autocatalítico, es decir, la nucleación de varias variantes de martensita con diferentes orientaciones con el fin de minimizar las tensiones [6], creado en los límites de grano. Por otra parte, la gran cantidad de deformación plástica (dislocaciones) creado por la
deformación en la límites de grano ellos hace que los sitios de nucleación favorables para martensita. Esto es porque se nuclea martensita preferentemente en zonas con cepas de plástico grandes, es decir, en las zonas de alta dislocación densidad [25]. Por lo tanto, aunque las variantes que crecen desde el interior hacer contacto con otros límites de grano, martensita sólo nuclea en los límites de grano que han sido sometidos a la deformación, como se muestra en la figura. 3
