Caracterización, evolución de microestructura y propiedades mecánicas de aceros austeníticos resistentes a altas temperaturas

Abstract

En esta tesis, se analiza la relación entre el envejecimiento y la evolución microestructural en las aleaciones refractarias conocidas como HP40-Nb y ET45 micro. Se presentan resultados obtenidos por microscopía óptica y electrónica de barrido con microanálisis por rayos X, así como ensayos isotérmicos de dilatometría. Además, se aplicó el modelo cinético de Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov para estudiar la nucleación y crecimiento de la precipitación secundaria de carburos del tipo Cr23C6. Estas aleaciones, de microestructura dendrítica, presentan una red de carburos primarios de tipo NbC y Cr7C3 en el caso de la ET45 micro, y de tipo NbC y Cr23C6 en el caso de la aleación HP40-Nb. En ambas aleaciones, se observa una zona de deplexión libre de precipitados secundarios adyacente a la red de carburos eutécticos primarios y que presenta menor dureza que la matriz austenítica. En la aleación HP40-Nb, se encontraron zonas ricas en silicio y níquel en los bordes de los carburos primarios de niobio, mientras que no se halló presencia de estos átomos en las zonas centrales de estas partículas. Ensayos isotérmicos de dilatometría indicaron que, a 1073 y 1098 K, la aleación sufre una contracción, la cual se estima que está asociada a la diferencia entre coeficientes de dilatación térmica entre la matriz y los carburos eutécticos primarios, mientras que a 1123 y 1148 K la aleación experimenta una expansión térmica. La transformación del carburo de niobio en el siliciuro rico en níquel y niobio, induce un cambio de volumen significativo en la celda unitaria, lo que se manifiesta en aquellos ensayos de dilatometría para temperaturas en las cuales la muestra se expande. Se encontraron indicios de la presencia de un siliciuro coincidente con la fase G para muestras envejecidas a 1123 K a tiempos equivalentes a la duración del ensayo de dilatometría a dicha temperatura. La transformación del carburo de niobio hacia el siliciuro rico en níquel y niobio, comienza en la interfaz de los carburos de niobio con la matriz, progresando hacia el interior de los mismos con el desarrollo del envejecimiento. Luego de tratamientos térmicos de envejecimiento a temperaturas de 1073, 1173 y 1273 K por cortos períodos de tiempo, se halló que la precipitación secundaria de carburos de tipo Cr23C6 en la matriz ocurre en una sola etapa. En el caso de la aleación HP40-Nb, este fenómeno presentó una energía de activación de 194 kJ/mol. Análogamente, para la aleación ET45 micro, se encontró que dicha energía es de 188 kJ/mol.

In this thesis, the relationship between exposure to high temperatures and microstructural evolution in centrifugal cast alloys HP40-Nb and ET45 micro is analysed. Results obtained by optical and scanning electron microscopy with X-ray microanalysis are presented, as well as isothermal dilatometry tests. In addition, the Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov kinetic model was applied to study the nucleation and growth of secondary precipitation of Cr23C6 carbides. These alloys, of dendritic-type microstructure strengthened by a network of NbC and Cr7C3 primary carbides of type in the case of the ET45 micro, and of NbC and Cr23C6 primary carbides in the case of the HP40-Nb alloy. In both alloys, there is a depleted zone which is free of secondary precipitates adjacent to the network of primary eutectic carbides and presenting lower hardness than the austenitic matrix. In the HP40-Nb alloy, areas rich in silicon and nickel were found at the edges of primary niobium carbides, while no presence of these atoms was found in the central areas of these particles. Isothermal dilatometry tests showed that at 1073 and 1098 K, the alloy undergoes a contraction, which is estimated to be associated with the difference between thermal expansion coefficients between the matrix and primary eutectic carbides, while at 1123 and 1148 K alloy undergoes thermal expansion. The transformation of niobium carbide into nickel and niobium-rich silicide induces a significant change in volume in the unit cell. Such effect is manifested during those dilatometry tests for temperatures in which the sample expands. Indications of the presence of a silicide coinciding with the G phase were found for samples aged at 1123 K at times equivalent to the duration of the dilatometry test at said temperature. It has been found that the transformation of niobium carbide into silicon rich in nickel and niobium begins at the interface of niobium carbides with the matrix, progressing inwards with the development of aging. After thermal aging treatments at temperatures of 1073, 1173 and 1273 K for short periods of time, it was found that secondary precipitation of Cr23C6 carbides in the matrix occurs in a single stage. In the case of the HP40-Nb alloy, this phenomenon had an activation energy of 194 kJ/mol. Similarly, for the ET45 micro alloy, the activation energy was found to be 188 kJ/mol.

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