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EFECTO DEL ENDURECIMIENTO DE LA AUSTENITA SOBRE EL AFINO DEGRANO FERRÍTICO DE UN ACERO MICROALEADO AL Nb


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EFECTO DEL ENDURECIMIENTO DE LA AUSTENITA SOBRE EL AFINO 
DE GRANO FERRÍTICO DE UN ACERO MICROALEADO AL Nb 
Manuel Gómez (1) Sebastián F. Medina(1) 
1 Centro Nacional de Investigaciones Metalúrgicas (CENIM/CSIC), Avda. Gregorio del Amo, 
8. 28040 Madrid, España. e-mail mgomez@cenim.csic.es www.cenim.csic.es 
RESUMEN 
Mediante la simulación por torsión de ciclos de laminación, se ha determinado la 
temperatura de no-recristalización (Tnr) y las temperaturas de transformación de fase 
durante el enfriamiento (Ar3, Ar1) en un acero microaleado al Nb para diferentes condiciones 
de deformación (tiempo interpaso y deformación aplicada en cada paso de laminación). Las 
tres temperaturas críticas mencionadas han sido determinadas siguiendo el método de 
Jonas et al., que consiste en la representación gráfica de la tensión media de fluencia (MFS) 
frente a la inversa de la temperatura. Este método permite también determinar una 
magnitud conocida como "tensión acumulada", que es una manera sencilla y eficaz de 
cuantificar el progresivo endurecimiento de la austenita entre Tnr y Ar3 sin necesidad de 
realizar estudios metalográficos .Se ha encontrado que para aquellas condiciones de 
deformación en que la tensión acumulada al final de la laminación toma valores más altos 
(tiempos interpaso cortos y bajas deformaciones), el grano ferrítico final es más fino. A 
medida que se aumenta el tiempo interpaso o la deformación aplicada en cada paso, la 
tensión acumulada en la austenita disminuye, observándose un engrosamiento del grano 
ferrítico final. El intervalo de temperatura definido por Tnr y Ar3 establece los límites donde 
deberían efectuarse los últimos pasos de la laminación industrial con vistas a obtener una 
austenita con mayor tensión acumulada y por consiguiente una microestructura final más 
fina y mejores propiedades mecánicas. 
Palabras clave: laminación en caliente, acero microaleado, endurecimiento de la austenita, 
afino de grano ferrítico. 
INFLUENCE OF AUSTENITE STRENGTHENING ON FERRITIC GRAIN REFINEMENT 
FOR A Nb-MICROALLOYED STEEL 
ABSTRACT 
Using hot rolling simulation by means of hot torsion tests, non-recrystallization temperature 
(Tnr) and phase transformation temperatures during cooling (Ar3, Ar1) have been determined 
for a Nb-microalloyed steel under several deformation conditions (interpass time, pass 
strain). The three above mentioned rolling critical temperatures have been determined by 
application of the Jonas et al. method, consisting in the graphical representation of Mean 
Flow Stress (MFS) against the inverse of temperature. This method allows us to measure 
simultaneously a magnitude known as "accumulated stress", which is a simple and useful 
way of quantifying the progressive strengthening of austenite when deformed between Tnr 
and Ar3, without the need to perform metallographic studies. It has been found that for 
those rolling conditions where accumulated stress at the end of hot rolling has the highest 
values (shortest interpass times and lowest strains), final ferritic grain is finer. As long as 
the interpass time or the pass strain applied increases, accumulated stress drops and the 
final grain is coarser. The temperature interval limited by Tnr and Ar3 establishes the limits 
where the final industrial rolling steps should be accomplished in order to obtain a 
strengthened austenite, higher accumulated stress values and therefore finer final 
microstructures and improved mechanical properties. 
Key words: hot rolling, microalloyed steel, austenite strengthening, ferrite grain 
refinement. 
Recibido: Septiembre de 2004    Recibido en forma final revisado:Abril de 2005 
1. INTRODUCCIÓN 
Las temperaturas críticas durante la laminación en caliente del acero son la temperatura de 
norecristalización (Tnr) y las temperaturas de transformación de fase en enfriamiento (Ar3 y 
Ar1). Tnr es la temperatura por debajo de la cual la recristalización estática de la austenita 
comienza a ser inhibida y su valor indica si el final de la laminación se alcanza con una 
microestructura recristalizada o endurecida. Ar3 y Ar1 suponen los límites de temperatura 
entre los cuales puede concluir la laminación, bien en la región austenítica o en la 
intercrítica. 
Los valores de estas tres temperaturas pueden determinarse mediante la simulación de 
sucesivos pasos de laminación y posterior representación gráfica de la tensión media de 
fluencia (MFS) frente a la inversa de la temperatura para cada paso [1, 2]. Además de estas 
temperaturas críticas, sobre la curva MFS también puede determinarse gráficamente la 
tensión acumulada en la austenita (Δσ) [3, 4], que es una magnitud que representa el 
progresivo endurecimiento de la austenita a medida que ésta va siendo deformada a 
temperaturas inferiores a Tnr. 
La determinación para diferentes combinaciones de deformación aplicada y tiempo interpaso 
del valor de Δσ en el último paso de laminación y del tamaño de grano ferrítico final 
permitirá encontrar las condiciones de laminación que fomenten en mayor grado el afino de 
grano ferrítico beneficioso para la mejora simultánea de las propiedades mecánicas de 
resistencia y tenacidad. 
2. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 
El acero estudiado, cuya composición química se muestra en la tabla 1, es un acero 
microaleado con niobio y bajo contenido de carbono fabricado por refusión bajo 
electroescoria. La simulación termomecánica se llevó a cabo por medio de ensayos de 
torsión en caliente de múltiples pasos. Las probetas fueron austenizadas a 1250 ºC durante 
10 min con el fin de disolver completamente los precipitados de Nb. Posteriormente, la 
temperatura fue rápidamente reducida hasta la correspondiente al primer paso (1150ºC), 
estableciendo una velocidad de enfriamiento de 25ºC entre pasos sucesivos hasta alcanzar 
el paso final a 675ºC. Se realizaron diversas simulaciones con valores de tiempo interpaso 
(Δt) de 20, 100 y 500 s y dos deformaciones (ε) de 0,20 y 0,35. La velocidad de 
deformación fue la misma para todos los casos (3,63 s-1). El tamaño de grano ferrítico se 
determinó mediante el método de intersección lineal sobre probetas enfriadas desde 825 
ºC. 
Tabla 1. Composición química del acero utilizado (% contenido en masa) 
C Si Mn P S Al Cu Cr Nb N O 
3. 
RESULTADOS Y DISCUSION 
En el ensayo de torsión se obtienen los valores del par aplicado frente al número de giros 
realizados sobre la probeta, que son transformados respectivamente a tensión y 
deformación equivalentes mediante el criterio de Von Mises [5]. De este modo es posible 
trazar curvas tensión-deformación como las de la figura 1, realizada con Δt = 20 s y 
deformación ε = 0,20. En esta figura, el valor de la tensión máxima alcanzada en cada paso 
muestra con una buena aproximación aquellos pasos en los que parecen haber ocurrido 
cambios que darán lugar a diferentes microestructuras en la evolución de la austenita y en 
su posterior transformación a ferrita. 
 
Las temperaturas críticas se observan mejor en la figura 2, que representa la tensión media 
de fluencia (MFS) frente a la inversa de la temperatura absoluta (1/T). El valor de MFS se 
determina calculando por integración numérica el área bajo la curva tensión-deformación 
correspondiente a cada paso y dividiendo este valor por la deformación aplicada. A altas 
temperaturas, la austenita recristaliza completamente entre pasos y MFS describe una línea 
recta hasta llegar a Tnr. Para temperaturas menores, MFS sigue una recta de mayor 
pendiente porque la recristalización de la austenita es inhibida por la precipitación de 
carbonitruros de Nb. El inicio de la formación de ferrita establecido por Ar3 se localiza en el 
punto donde cambia de nuevo la pendiente y comienza el tramo final de la curva MFS, que 
puede asimilarse a una parábola cuyo mínimo correspondería a la temperatura de 
transformación eutectoide Ar1 [4]. Para temperaturas menores a Tnr, la austenita se 
endurece debido a su recristalización incompleta, acumulando una tensión Δσ cuya cuantía 
0,09 0,23 1,1 
0,02
1 
0,00
7 
0,00
5 
0,01
5 
0,06
6 
0,01
7 
0,01
7 
0,00
57 
puede calcularse a cualquier temperatura comprendida entre Tnr y Ar3, midiendo la distancia 
vertical entre las dos rectas de regresión. El valor máximo de Δσ se alcanza en los instantes 
previos al comienzo de la transformación  (T = Ar3). Si la austenita recristaliza 
completamente entre pasos hasta alcanzar Ar3 no existirá Tnr, por lo que solo habrá una 
línea de regresión y Δσ  tomará un valor nulo. La tabla 2 muestra que esto ocurre para las 
condiciones de deformación que favorecen la recristalización (Δt largos y ε elevadas). 
 
Tabla 2 Temperaturas críticas, tensión acumulada y tamaño de grano ferrítico 
  
ε = 0,20 ε = 0,35 
T. críticas(ºC) Δσ (MPa) 
D 
(m) 
T. críticas(ºC) Δσ (MPa) 
D 
(m) Δt(s) Tnr Ar3 Ar1 T=Ar3 T=825ºC Tnr Ar3 Ar1 T=Ar3 T=825ºC 
20 968 804 748 51 44 5,3 956 788 736 16 12 5,8 
100 917 799 756 20 15 6,5             
500 ---- 798 768 0 0 10,1 ---- 787 749 0 0 7,7 
Una vez conocidos los valores de las temperaturas críticas y de Δσ, se repitieron los ensayos 
de simulacióntomando esta vez una temperatura final de laminación superior a Ar3 (T = 825 
ºC). Tras esto, las probetasfueron enfriadas en argón, se observó la microestructura 
ferrítica (figura 3) y se determinó el tamaño de grano ferrítico (D en tabla 2). Como se 
aprecia en la figura 4, el grano ferrítico final es más fino cuanto mayor sea la tensión 
acumulada en la austenita al final de la laminación. Si Δσ es elevada, el grano de austenita 
está más deformado y aumentan la densidad de dislocaciones y el área específica de límites 
de grano, lo que supone un incremento de los lugares de nucleación de la ferrita. Podría 
suponerse que aquellas condiciones que hacen aumentar Δσ (Δt cortos y ε menor) [4] serán 
siempre las más beneficiosas para afinar el grano. Sin embargo, el papel de la deformación 
aplicada es complejo por la importante influencia del último paso de laminación sobre la 
microestructura final. Durante el enfriamiento inmediatamente posterior a la última 
deformación, la austenita no tiene apenas tiempo para recristalizar, de modo que para una 
Δσ  fija, el afino de grano se potencia cuanto mayor sea el valor de ε en el último paso. 
 
 
CONCLUSION 
Puede concluirse que, para un valor determinado de ε, cuanto mayor sea el valor de la 
tensión acumulada menor será el tamaño de grano ferrítico final. El uso de tiempos 
interpaso cortos siempre provoca un afino del grano ferrítico, pero el papel de la 
deformación aplicada es más complejo por la importante influencia del último paso de 
laminación sobre la microestructura final. 
AGRADECIMIENTOS 
Los autores agradecen la financiación de la beca de D. Manuel Gómez, perteneciente al 
programa I3P del CSIC financiado por el Fondo Social Europeo y el apoyo económico 
prestado por la red RIACER del programa CYTED. 
REFERENCIAS 
1. F.H. SAMUEL; S. YUE; J.J. JONAS.; K.R. BARNES: ISIJ Int., 30 (1990), p. 216-
225.        [ Links ] 
2. L.P. KARJALAINEN; T.M. MACCAGNO; J.J. JONAS: ISIJ Int., 35 (1995), p. 1523-
1531.        [ Links ] 
3. S.F. MEDINA; M.I. VEGA; M. CHAPA: Mater. Sci. Technol., 16 (2000), p. 163-
170.        [ Links ] 
4. M. GÓMEZ; S.F. MEDINA; A. QUISPE; P. VALLES: ISIJ Int., 42 (2002), p. 423-
431.        [ Links ] 
5. FAESSEL: REV. MÉTALL,. CAH.INF.TECH., (1976), p. 875-892.         [ Links ] 
 

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