24 de abril de 2023.- La Universidad Tecnológica de Eindhoven está investigando cómo hacer que el acero sea más liviano, resistente y duradero.
La industria del automóvil utiliza con frecuencia aceros que contienen múltiples fases, en particular, ferrita blanda y martensita dura. Estos tipos de acero presentan microestructuras complejas, lo que dificulta el control de los procesos de deformación plástica y daño por presión.
Tijmen Vermeij, quien defiende su disertación, investigó exactamente cómo y por qué ocurren estos procesos en los aceros multifásicos. Para identificar estos mecanismos, desarrolló nuevos métodos de medición. Su investigación puede ayudar al desarrollo de aceros más resistentes y con mejores propiedades, contribuyendo así a la reducción de las emisiones de CO2 .
La producción de acero es responsable de alrededor del siete por ciento de las emisiones de CO 2 en todo el mundo, lo que la convierte en una de las industrias más contaminantes. El desarrollo de acero con mejores propiedades significa que el peso de los materiales utilizados para fabricar automóviles puede reducirse sin comprometer la seguridad. Si los fabricantes de automóviles necesitan menos material para la producción, esto se traducirá directamente en la reducción de las emisiones de CO 2 causadas por la producción de acero. Y también hay un efecto indirecto, ya que los autos más livianos usan menos gasolina.
Fuerte y dúctil
El gran desafío es desarrollar materiales con un peso relativamente bajo que sean muy resistentes y, al mismo tiempo, dúctiles. Después de todo, el material debe poder resistir un choque, es decir, ofrecer suficiente seguridad, pero también debe poder deformar una lámina de acero para convertirla, por ejemplo, en la puerta de un automóvil. Las dos propiedades deben estar óptimamente equilibradas. Si el material es demasiado fuerte y demasiado quebradizo, se romperá bajo un gran impacto. Si es demasiado suave, se deformará con demasiada facilidad.
«Tome una cucharadita. Puede deformarla fácilmente sin romperla, pero no necesita mucha fuerza para hacerlo», explica Tijmen Vermeij.
«El desafío es desarrollar nuevos aceros que sean muy fuertes, pero que aún puedan deformarse si se les aplica mucha fuerza. Y eso es bastante difícil».
En la industria automotriz, los aceros multifásicos (tipos avanzados de aceros que contienen múltiples fases) son muy populares. Los ejemplos incluyen acero de doble fase (acero DP), que consta de una estructura de ferrita suave con islas de martensita dura. La combinación de diferentes fases da como resultado microestructuras complejas y finas con mejores propiedades. A pesar de estas propiedades refinadas, estos aceros aún pueden romperse o dañarse inesperadamente, a través de mecanismos de deformación que actualmente no comprendemos lo suficientemente bien.
«Necesitamos mucha información sobre los mecanismos cruciales de deformación y daño para desarrollar aceros con propiedades aún mejores», dijo.
Nuevos métodos
En el contexto de su investigación en el Departamento de Ingeniería Mecánica, Vermeij investigó la manera exacta en que se deforma DP. También desarrolló una serie de nuevos métodos para medir e identificar estos mecanismos de deformación.
En el nivel micro, el acero DP tiene dos fases, típicamente ferrita y martensita. Mientras que la ferrita es muy blanda, lo que la hace fácil de deformar, la martensita, que forma pequeñas islas en esta estructura blanda, es muy fuerte. Este material tiene muy buenas propiedades, pero cuando lo deforma, se daña, en particular cerca de las islas de martensita.
«Debido al desajuste entre la microestructura dura y blanda, la deformación da como resultado pequeños pinchazos», explica Vermeij. «Si tienes muchos de estos pinchazos muy juntos, el material podría romperse».
«Se ha investigado mucho sobre dónde exactamente ocurre el daño en la microestructura, por ejemplo, en la isla de martensita o en su borde, pero ahí es donde generalmente se detiene», continúa. «Lo que realmente no entendemos es cómo sucede exactamente. Idealmente, desea medir de inmediato cómo ocurrió la deformación».
Microescaneos
Vermeij desarrolló un nuevo método de medición, basado en la correlación de imágenes digitales (DIC), para estudiar las deformaciones a nivel micrométrico. Esto implica depositar un patrón en la microestructura y usar un microscopio electrónico para hacer escaneos antes y después de la deformación. Estos escaneos se pueden comparar en busca de diferencias, utilizando un software especial.
El anverso y el reverso de una muestra muy fina. A la izquierda medidas experimentales de la microestructura, a la derecha la «malla» numérica (discretización de elementos) en 3D, con una vista frontal arriba y una vista trasera abajo. Crédito: Universidad Tecnológica de Eindhoven
«Esto te permite ver que parte del patrón ha desaparecido, lo que significa que está roto. Pero también puede ocurrir una deformación plástica, lo que significa que el material se ha deformado de manera significativa y permanente, pero no se rompe», explica Vermeij. «Como una cucharadita torcida».
Puede medir esto y atribuir un valor a cada posición. Algunas posiciones tienen valores altos, en caso de deformación importante, y otras tienen valores bajos, en caso de que el material apenas se haya deformado.
Experimentos y simulaciones
Una parte importante de la disertación la ocupan dos artículos que resultaron de una estrecha colaboración con sus compañeros de Ph.D. candidato Job Wijnen. Mientras Vermeij estaba ocupado experimentando, identificando y midiendo, su colega realizaba investigaciones basadas en simulaciones. Al final combinaron ambos métodos integrando las simulaciones con los experimentos y comparando los resultados.
Vermeij afirma: «Ejecutar experimentos es mucho trabajo. Pero la computadora puede realizar miles de simulaciones, por lo que puedes hacer mucho más». La industria automotriz hace mucho uso de las simulaciones, por ejemplo, cuando se necesita hacer una pieza nueva, para que no tenga que hacerlo en la vida real. Por el momento, las simulaciones solo son útiles para tener una idea de si las deformaciones simples funcionarán o no, ya que no son del todo confiables. «Si prueba su suerte con una deformación, el material puede romperse, aunque no esperaría esto según la simulación».
Una de las razones de esto es que las simulaciones se basan en parte en suposiciones, debido a la falta de datos precisos o completos. «Si tiene una pieza de acero DP, puede medir la microestructura en la superficie, pero no puede ver lo que sucede debajo», explica Vermeij. «La pieza de metal que terminas probando en un experimento tiene un grosor de un milímetro. Si ejecutas una simulación , solo puedes ingresar la información que tienes, solo tu conocimiento de la superficie. Pero unos pocos micrómetros más profundo ser completamente diferente y esa es la información que te estás perdiendo. Eso plantea un gran desafío y lo hace muy complejo».
Según Vermeij, la colaboración fue crucial para su doctorado. investigación. «Este método de ejecutar simulaciones basadas en experimentos que coinciden lo más posible entre sí es de importancia clave y muy útil para mejorar las simulaciones en altos niveles de la industria».
Anteriormente se han realizado investigaciones basadas en simulaciones y experimentos, pero esto siempre implicó cortar una pequeña muestra que solo puede usarse para visualizar deformaciones muy simples. Al usar una muestra muy delgada combinada con un área muy grande, que abarca 300 micrómetros y con un grosor máximo de 10 micrómetros, también puede estudiar deformaciones complejas. «Se podría decir que encontramos el término medio entre experimentos muy simples, que no enseñan mucho, y experimentos muy complejos que no permiten buenas simulaciones», concluye Vermeij.
Esta integración de simulaciones y experimentos es un gran ejemplo de estrecha colaboración entre Ph.D. candidatos que trabajan en la misma pregunta de investigación y se refuerzan mutuamente. «Y lo más importante es, por supuesto, que el método demuestre que funciona bien, que hay una buena combinación entre simulaciones y experimentos», enfatiza Vermeij.
Acero más fuerte con menos daño
En uno de los experimentos, Vermeij investigó cómo se produce el daño en las islas de martensita dura en el acero DP formado por martensita y ferrita. «La martensita es muy fuerte y quebradiza, por lo que se esperaría que se dañara si se deforma. Pero una teoría afirma que hay una forma en que la fase dura se deforma muy suavemente. Solo una forma, y una muy específica. Como resultado, algunas posiciones son muy difíciles de deformar, pero en otras posiciones puede ocurrir una deformación plástica, por lo tanto, con un efecto permanente y sin que se produzca ningún daño».
Vermeij investigó esto mediante experimentos y descubrió que hubo un caso de deformación muy significativa sin que se produjeran daños. Con un método de identificación único diseñado para su Ph.D. investigación, demostró que esta importante deformación siempre ocurre en una sola cara. Esto es de gran importancia para el futuro desarrollo de los aceros. Usando este conocimiento, puede desarrollar materiales de tal manera que se produzcan menos daños, lo que a su vez le permite usar menos material.
Más allá del ensayo y error
El acero tiene infinidad de composiciones, tratamientos térmicos y combinaciones de los mismos, por lo que existen infinitas formas de fabricar acero. Agregar un poco de silicio, manganeso o aluminio da como resultado acero con nuevas propiedades.
“Hasta ahora, esto sucedía principalmente a base de prueba y error o con una comprensión limitada en términos de ‘si haces esto, aproximadamente sucederá eso’. Pero al final se necesitan muchos experimentos y simulaciones para controlar mejor la plasticidad y el daño y desarrollar aceros con mejores propiedades», dice Vermeij. Su investigación y nuevos métodos de medición más precisos son un paso importante en esta dirección.
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