Aceros con plasticidad inducida por maclado, aceros TWIP
Los aceros avanzados de alta resistencia (AHSS) están diseñados para dar respuesta a los desafíos que actualmente plantea la industria del automóvil en cuanto a las estrictas regulaciones en seguridad, reducción de peso, emisiones de CO2 , y conformabilidad del material, todo ello unido a un costo razonable. Son materiales complejos y sofisticados, con una composición química cuidadosamente seleccionada y con estructuras multifase, resultado de controlados y precisos procesos de calentamiento y enfriamiento. Los mecanismos de endurecimiento que entran en juego para conseguir el rango de propiedades que presentan, tales como resistencia, ductilidad, tenacidad y fatiga, son muy diversos.
Los aceros bifásicos o dual phase (DP), de estructura ferrítico-martensítica, los aceros con plasticidad inducida por la transformación (TRIP) y los aceros martensíticos (MS), constituyen la fase 2 de la 1ª generación de AHSS. Los aceros de plasticidad inducida por maclado (TWIP) son de concepción más reciente y forman parte de la 2ª generación de AHSS. Se trata de materiales de composición química más compleja, con alto manganeso y alto silicio, con unas características mecánicas excepcionales que los ubican por encima de los aceros TRIP (Figura 1).
Figura 1. Alargamiento frente a resistencia a la tracción para diversos aceros para estampación.
Los aceros TWIP presentan una estructura austenítica a temperatura ambiente, por lo que requieren en su composición de altos contenidos de manganeso (17-30%). Ello plantea unos desafíos específicos en las etapas de fusión y metalurgia secundaria. Durante el conformado de estos materiales, su microestructura sufre un cambio en la orientación cristalina dentro del grano, al que se denomina maclado (twinning) (Figura 2). En esencia, los límites de macla deben ser considerados como verdaderos bordes de grano, y el resultado es un acero con muy alta capacidad de deformación y muy alta resistencia (Figura 3), con un incremento muy significativo del índice de endurecimiento por deformación (valor n) (Figura 4).
Figura 2. Austenita maclada en un acero TWIP.
Figura 3. Curvas tensión-deformación para diferentes AHSS.
Figura 4. Endurecimiento por deformación frente a la deformación verdadera para diferentes AHSS.
De acuerdo a informaciones proporcionadas por los fabricantes de estos materiales, es posible alcanzar deformaciones del 35% con una resistencia a la tracción de 1400 MPa, siendo excepcional su capacidad para absorber energía en el choque. Un ejemplo de su capacidad de deformación puede observarse en el ensayo de embutido denominado Nakajima comparado con un acero libre de elementos intersticiales (IF) (Figura 5).
Figura 5. Ensayo de embutido Nakajima.
Por contrapartida, presentan un bajo límite elástico en la condición de recocido (@250 MPa) y altos valores de resistencia únicamente son alcanzables después de una considerable deformación del material. Una vía de trabajo para superar este desafío es el laminado en frio y/o conseguir mediante microaleación un endurecimiento por precipitación. En este sentido, el vanadio, niobio y titanio son elementos que están siendo estudiados.
Un aspecto a tener en cuenta en los aceros TWIP es la precipitación de cementita en borde de grano durante el recocido, que da como resultado un acero susceptible de presentar fractura retardada por hidrógeno. En este sentido, los desarrollos más recientes proponen la adición de contenidos de aluminio entre 1,5% a 2%, que suprimen la precipitación de cementita durante el enfriamiento tras la laminación en caliente y del recocido, debido a una disminución de la reactividad y la difusividad del carbono en la austenita.
Estos novedosos materiales poseen un conjunto de propiedades, alta resistencia, gran ductilidad, buena capacidad de absorción de energía al choque, todo ello a un costo razonable, que los hace muy interesantes, ya que posibilitan diseños energéticamente más eficientes, permitiendo reducciones de peso y el cumplimiento de los requisitos en materia de seguridad.
Uno de los principales retos en el empleo de estos materiales estriba en el conocimiento metalúrgico de la relación entre sus propiedades mecánicas y sus características microestructurales. Sin duda alguna este entendimiento impulsará la introducción de los aceros TWIP en la industria del automóvil, así como en otros sectores como el ferrocarril, la construcción naval, tuberías y otras aplicaciones especiales que no precisen de materiales magnéticos.
