Estudio y caracterización del efecto del Cu, del Mn y del Si en las transformaciones de fase en estado sólido de las fundiciones esferoidales eutécticas

Abstract

En esta tesis se organizaron una serie de estudios que fueron abordados experimentalmente y mediante cálculos termodinámicos con el fin de explicar el modo en que los aleantes actúan sobre las transformaciones en estado sólido, y, consecuentemente en los porcentajes de microconstituyentes presentes en la matriz de las fundiciones nodulares en condiciones as-cast. En lo que concierne al primer aspecto, se efectuaron microanálisis sobre muestras de tres composiciones distintas mediante el uso de diversas técnicas experimentales -microsonda de electrones, microscopía electrónica de barrido y de transmisión- en razón de la resolución requerida en cada caso. Estos se concretaron sobre muestras as-cast y sobre otras sometidas a enfriamientos continuos a diferentes velocidades -calorimetría diferencial de barrido- y a enfriamientos interrumpidos -dilatometría-. En el segundo, se calcularon distintos diagramas multicomponentes bajo condiciones de equilibrio (equilibrio local con y sin partición) y de paraequilibrio, utilizando el software Thermocalc y la base de datos TCFE8. Los resultados experimentales fueron integrados con los cálculos termodinámicos, para lo cual fue necesario su postproceso y la construcción de diagramas pseudobinarios (isopletas e isotermas).Como resultado, pudo avanzarse en la comprensión del efecto de las microsegregaciones de Cu, Mn y Si sobre la transformación de la austenita en las FGE. Particularmente pudo vincularse la transición local entre los sistemas estable y metaestable, y la extensión de los halos de ferrita en la matriz, y explicar las distintas extensiones de los halos en función de la concentración de aleantes. Asimismo, estas microsegregaciones pudieron relacionarse con la posibilidad de que la ferrita pueda nuclear tan pronto se alcanza el límite superior del intercrítico eutectoide estable, favorecida por las altas concentraciones de Si alrededor de los nódulos, y justificarse la presencia de ferrita creciendo en forma aislada en la matriz de FGE con alto contenido de aleantes. Pudo verificarse que el avance de la transformación ferrítica a velocidades típicas de colada ocurre bajo un modo de paraequilibrio, dejando en claro las limitaciones que conlleva estudiar este fenómeno utilizando diagramas de equilibrio y contemplando la composición nominal de la aleación. Se comprendió el efecto conjunto del Mn y el Cu como elementos perlitizantes, en base a su impacto sobre las temperaturas críticas y a su partición entre las láminas de ferrita y cementita de la perlita. En las FGE con alto contenido de Cu, se hallaron precipitados nanométricos en la ferrita y rodeando a las láminas de cementita, que explican el detrimento en algunas de las propiedades mecánicas de las FGE perlíticas.La investigación realizada supone un avance en la comprensión del efecto de los aleantes en las transformaciones en estado sólido en las FGE. Se demuestra la importancia de combinar herramientas experimentales y de cálculo termodinámico para explicar el efecto de los aleantes en las microestructuras que resultan de la solidificación de estas fundiciones.

In this thesis, a series of studies were approached experimentally and by means of thermodynamic calculations in order to explain the way alloying elements act on solidstate transformations, and, consequently, on the nal percentages of microconstituents in the matrix of as-cast graphite cast irons. Regarding the rst aspect, microanalysis was carried out on samples of three di erent compositions by using various experimental techniques -EPMA, SEM and TEM- because of the resolution required in each case. These were carried on textit as-cast samples and on others cooled at di erent rates -DSC- and quenched from di erent temperatures -dilatometry-. Concerning thermodynamic calculations, di erent multicomponent diagrams were generated under equilibrium conditions (local equilibrium with and without partitioning of substitutional elements) and para-equilibrium, using the Thermocalc software and the TCFE8 database. The experimental results and thermodynamic calculations were integrated by post-processing and constructing pseudo-binary diagrams (isopleths and isotherms). As a result, progress could be made in understanding the e ect of Cu, Mn and Si microegregations on the transformation of austenite in SGI. Particularly, the local transition between the stable and metastable systems could be linked to the extension of the bull-eye ferrite, and it was possible to explain the di erent extensions of ferrite as a function of the alloy concentration. Also, these microsegregations could be related to the stability of ferrite at the upper temperature of the intercritical stable eutectoid and to the presence of ferrite growing in isolation. It could be veri ed that the progress of the ferritic transformation at typical casting rates occurs under a paraequilibrium mode, evidencing the limitations involved in studying this phenomenon using equilibrium diagrams with the nominal composition of the alloy. The joint effect of Mn and Cu as pearlite-promoter elements was justi ed based on their impact on critical temperatures and their partition between the ferrite and pearlite cementite lamellas. In the SGI with high Cu content, nanometric precipitates were found in the ferrite and surrounding the cementite sheets, which explain the detriment in some of the mechanical properties of the perlitic alloys. The carried out research represents an advance in the understanding of the e ect of the alloys in solid-state transformations. The importance of combining experimental and thermodynamic calculation tools to explain the e ect of alloying on the microstructures resulting from the solidi cation of spheroidal graphite castings is demonstrated.