Development of a thermomechanical tester for intermediate strain rates and phenomenological modelling of microstructural evolutionapplication to hot forging of inconel 625

Résumé

Los fenómenos de recristalización que ocurren en procesos de conformado en caliente de metales determinan la microestructura resultante y, por consiguiente, las propiedades mecánicas de la pieza final. Por lo tanto, una correcta comprensión y control adecuado de los fenómenos de transformación microestructural son críticos para un óptimo diseño de procesos de fabricación en caliente. Se han encontrado muchos estudios en la literatura en relación a los fenómenos de recristalización de metales a bajas velocidades de deformación (<10 s-1). No obstante, aunque son de gran interés industrial, estos fenómenos microestructurales se han estudiado menos a mayores velocidades de deformación que se dan en procesos como el forjado a martillo (≈100 s-1). Esto se debe a que hoy en día existen pocas máquinas de laboratorio capaces de realizar ensayos a esas velocidades de deformación y a altas temperaturas (>1,000ºC). Como consecuencia, los fenómenos de recristalización de muy pocos materiales se han estudiado en estas condiciones termomecánicas. Para abordar esta carencia, en este proyecto de investigación se ha desarrollado una máquina de ensayo denominada Automatic Thermomechanical Tester (ATMT) que integra un módulo denominado Direct Impact Drop Hammer (DIDH) para ensayos a velocidades de deformación intermedias. Se ha evaluado y validado el rendimiento de esta nueva máquina de laboratorio, confirmando su capacidad para realizar ensayos a velocidades de deformación intermedias y a altas temperaturas. Se han realizado ensayos de compresión uniaxial en la ATMT utilizando probetas de Inconel 625, para caracterizar su evolución reológica y microestructural. Como resultado, se ha estudiado la recristalización dinámica y post-dinámica, como el crecimiento estático de grano del Inconel 625 en un gran rango de condiciones termomecánicas que se dan en procesos de forjado a martillo en caliente. Se han utilizado estos resultados experimentales para calibrar los conocidos modelos fenomenológicos JMAK para estimar numéricamente los fenómenos de recristalización de esta superaleación base níquel. Finalmente, los resultados microestructurales experimentales de un componente industrial real se han comparado con los resultados numéricos calculados mediante una simulación FEM representativa. Los resultados obtenidos demuestran las ventajas y limitaciones de los modelos de recristalización calibrados para estimar numéricamente la evolución microestructural en procesos industriales complejos de forjado a martillo. El estudio que se presenta en esta tesis arroja luz sobre los desconocidos fenómenos de evolución microestructural que ocurren en condiciones termomecánicas que combinan deformaciones a altas temperaturas y a velocidades de deformación intermedias.