Modelado computacional, termomecánico-metalúrgico, del tratamiento de austemperizado de una fundición nodular

Abstract

La fundición de hierro nodular austemperizada es una aleación metálica cuya microestructura, obtenida a través del tratamiento térmico de austemperizado, está compuesta por nódulos de grafito embebidos en una matriz ausferrítica. La buena relación entre propiedades mecánicas y costo de las piezas realizadas en este material lo posicionan como una excelente opción para la fabricación de autopartes y agropartes. El tipo de microestructura y las variaciones de las dimensiones de la pieza, al final del austemperizado, dependen de numerosos factores, entre ellos algunos parámetros del tratamiento térmico. La selección adecuada de los valores de todos los factores involucrados no es sencilla, especialmente cuando la pieza presenta una geometría compleja. De aquí la necesidad de contar con nuevas herramientas de diseño, que superen a las técnicas tradicionales, y permitan agilizar y reducir los costos de desarrollo de nuevas piezas. En esta tesis se predice la evolución de la temperatura, de las deformaciones y de la microestructura, en los distintos puntos de una pieza de fundición de hierro nodular, cuando ésta es sometida a un tratamiento térmico de austemperizado de tres pasos, considerándose las principales variables del proceso. Para ello se propone un nuevo modelo termo-mecánico-metalúrgico multiescala. El aspecto termomecánico se plantea en la escala macroscópica, escala de la pieza, y sus ecuaciones se resuelven por el método de los elementos finitos en el dominio espacial y por el método de las diferencias finitas en el dominio temporal. El aspecto metalúrgico es planteado en la escala microscópica, escala de los micro-constituyentes, representándose la microestructura por medio de elementos de volumen representativo. Para las transformaciones de fase consideradas se proponen nuevos modelos que consideran la nucleación, el crecimiento y la interacción de las fases presentes por medio de leyes determinísticas. Se realiza un estudio de sensibilidad del modelo basado en la varianza de la respuesta que permite conocer la influencia en el resultado de los diferentes factores del proceso, así como la interacción entre ellos. También se realiza la simulación de tratamientos térmicos de laboratorio, con las cuales se puede comprobar que el modelo, luego de un apropiado ajuste de sus constantes, puede representar correctamente los tiempos mínimos requeridos de tratamiento, las fracciones finales de fase y la evolución de la temperatura, de las dimensiones de la pieza y de la microestructura. La investigación realizada y el modelo propuesto contribuyen al mejor entendimiento de los procesos que intervienen en el tratamiento de austemperizado de una fundición de hierro nodular y permiten afrontar de mejor manera tanto el diseño del ciclo térmico como el de la pieza a ser tratada.