CONAMET/SAM-2008
PROPIEDADES MECÁNICAS Y CARACTERIZACIÓN
MICROESTRUCTURAL DE DIFERENTES ACEROS DUAL-PHASE
Hernán Lorusso (1), Alejandro Burgueño (1), Hernán G. Svoboda (2)
(1) Laboratorio de Soldadura, Centro de Mecánica, Instituto Nacional de Tecnología Industrial. Colectora
de Av. General Paz 5445, San Martín, Buenos Aires, Argentina.
(Tel: 5411-47246200 int: 6517), burgueno@inti.gov.ar, lorusso@inti.gov.ar
(2) Laboratorio de Materiales y Estructuras, Facultad de Ingeniería, Universidad de Buenos Aires. Las
Heras 2214, Ciudad Autónoma de Buenos Aires, Argentina. CONICET.
(Tel: 5411-45143009), hsvobod@fi.uba.ar
Palabras clave: aceros dual phase, transformaciones de fase, ferrita, martensita, propiedades mecánicas
RESUMEN
En los últimos años, la industria automotriz ha promovido numerosos desarrollos de nuevos aceros
vinculados con la disminución de peso y aumento de la seguridad de vehículos. En este sentido los
Aceros de Alta Resistencia Avanzados (AHSS) son una de las familias de nuevos materiales que han
presentado mayor interés. Estos nuevos materiales han surgido como respuesta a los crecientes
requerimientos relacionados a los materiales empleados en la industria automotriz en componentes
estructurales. Dentro de estos requerimientos se encuentran una mayor resistencia, capacidad de
absorción de energía y complejidad de las partes, entre otros. Los aceros Dual Phase (DP) forman parte de
los AHSS y consisten en una matriz ferrítica con fracciones variables de una segunda fase martensítica,
en forma de “islas”. Estos aceros de última generación se aplican en partes estructurales presentando una
alta resistencia mecánica del orden de 600 a 1000 MPa, manteniendo muy buena conformabilidad. Sin
embargo existen diversos materiales base (aceros microaleados, aceros de grano ultrafino, aceros al C-
Mn, etc) a partir de los cuales pueden obtenerse dichos aceros DP, siendo escasos los estudios
sistemáticos realizados al respecto.
El objetivo del presente trabajo es estudiar las transformaciones de fase y las propiedades mecánicas de
aceros DP, obtenidos a partir de chapa fina de diferentes materiales: acero al C-Mn, acero microaleado al
Ti-Nb y acero microaleado al Nb.
Se estudiaron tres aceros en chapa fina de 1 mm de espesor, dos de ellos microaleados y uno
convencional al C-Mn. Se determinó la composición química los tres materiales base a emplear y se
analizaron las transformaciones de fase mediante dilatometría (DA), para cada caso, determinándose las
temperaturas críticas superior e inferior. Se realizaron barridos de tratamientos térmicos en el rango de
temperaturas AC1-AC3 para obtener diferentes grados de aceros DP, en función de la fracción de martensita
transformada, para cada material base. Se realizó la caracterización microestructural mediante
microscopía óptica (LM) y electrónica de barrido (SEM), realizándose la cuantificación microestructural.
Se determinó la microdureza Vickers (HV) y se obtuvieron las propiedades en tracción, para cada caso.
A partir de los resultados obtenidos se discutió el efecto del material base en la evolución microestructural
y en las propiedades mecánicas de los aceros DP obtenidos, analizando los mecanismos involucrados en
cada caso.
Las mejores propiedades se obtuvieron para los aceros DP obtenidos a partir de acero microaleados. Este
hecho estaría asociado al menor tamaño de grano ferrítico y a la mas fina dispersión de la fase
martensítica.

CONAMET/SAM-2008
1. INTRODUCCIÓN
En los últimos años han tenido lugar numerosos
desarrollos relacionados con la tecnología y
fabricación de nuevos aceros vinculados con la
disminución de peso y aumento de la seguridad de
vehículos. En este sentido los Aceros de Alta
Resistencia Avanzados (AHSS) han capturado la
atención [1], sin embargo junto con las ventajas
que proveen estos nuevos aceros surge la
necesidad de generar conocimiento sobre su
conformabilidad y soldabilidad [1,2]. Dentro de
los aceros de alta resistencia avanzados se tienen
dos familias. La primera es la de los aceros de alta
resistencia con una mayor conformabillidad para
diseños que involucren partes más complejas.
Estos son los aceros denominados Dual Phase
(DP) y los aceros con Transformación Inducida por
Plasticidad (TRIP).
Los aceros Dual Phase (DP) consisten en una
matriz ferrítica que contiene una fracción variable
de fase martensítica de alta dureza. La fracción de
segunda fase martensítica aumenta con el aumento
de la resistencia deseada del acero. La fase ferrítica
blanda es generalmente continua, proveyendo una
excelente ductilidad. Cuando estos aceros se
conforman, la deformación se concentra en la fase
ferrítica blanda, rodeando las “islas” de martensita,
generando una alta tasa de endurecimiento por
deformación para estos materiales [1,3,4]. Esto
sumando a un excelente alargamiento a rotura
provee a estos aceros de una mayor resistencia a la
tracción que aceros convencionales con similar
límite de fluencia Los aceros DP también
presentan un efecto de bake hardening que se
constituye en un beneficio importante en relación a
otros aceros convencionales [1,3].
En estos aceros, el carbono permite la formación
de martensita a velocidades de enfriamiento
aceptables, debido a su efecto en la templabilidad
del material. A su vez, Mn, Cr, Mo, V y Ni
incorporados también aumentan la templabilidad
[4]. El C ejerce también un efecto endurecedor de
la martensita. A su vez, el tamaño de grano de la
matriz ferrítica es otro de los parámetros que
controlan el endurecimiento y la buena tenacidad
de estos materiales [3].
Estos aceros de última generación se aplican en
partes estructurales para la industria automotriz
presentando una alta resistencia mecánica del
orden de 600 a 1000 MPa, manteniendo muy
buena conformabilidad. Sin embargo existen
diversos materiales base (aceros microaleados,
aceros de grano ultrafino, aceros al C-Mn, etc.) a
partir de los cuales pueden obtenerse dichos aceros
DP, siendo escasos los estudios sistemáticos
realizados al respecto [1].
El objetivo del presente trabajo es estudiar los
aceros DP obtenidos a partir de diferentes
materiales: acero al C-Mn, acero microaleado al
Ti-Nb y acero microaleado al Nb. A este fin se
estudiarán las transformaciones de fase de los
aceros base, se obtendrán diversos grados de
aceros DP y se realizará la caracterización
microestructural y mecánica.
2. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
En el presente trabajo se analizaron tres aceros: un
acero al C-Mn, otro microaleado al Nb y otro
microaleado al Ti-Nb, en chapa fina de 1 mm de
espesor, a fin de obtener diversos grados de aceros
DP.
Se analizó la composición química los tres
materiales base a emplear y se determinaron las
temperaturas críticas de transformación mediante
dilatometría (DA), para cada caso. La dilatometría
se realizó con una velocidad de calentamiento y de
enfriamiento de 15 ºC/min.
Una vez determinadas las temperaturas críticas AC1
y AC3 se realizaron barridos de tratamientos
térmicos para obtener diferentes grados de aceros
DP, en función de la fracción de martensita
transformada, para cada material base. Los
tratamientos térmicos se realizaron calentando las
muestras a las temperaturas definidas con un
tiempo de permanencia de 3 minutos y posterior
enfriamiento en agua agitada.
Sobre las muestras tratadas térmicamente se
realizó la caracterización microestructural
mediante microscopía óptica (LM) y electrónica de
barrido (SEM). Se determinó el tamaño de grano
de los materiales base según la norma ASTM
E112-96. Sobre las muestras tratadas térmicamente
se realizó metalografía cuantitativa para cada caso
a fin de determinar la fracción de martensita
obtenida. La metalografía cuantitativa se realizó
tomando como referencia la norma ASTM E562-
05 [5]. Asimismo se determinó la microdureza
Vickers (HV1kg).
A su vez se trataron térmicamente muestras de las
que se mecanizaron probetas calibradas para
ensayo de tracción, según norma ASTM E8M, de
50mm de longitud calibrada, obteniéndose las
propiedades en tracción para las distintas
condiciones.
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
3.1 Composición química
En la tabla I se presentan los resultados de la
composición química para los tres aceros
estudiados.
Como puede verse en la tabla el acero al C-Mn,
presenta los menores contenidos de elementos de
aleación, principalmente C, Mn y Si. El bajo nivel
de aleantes de este material limitará su
templabilidad, por lo que la fracción de martensita
a obtener será limitada.

CONAMET/SAM-2008
Tabla I.- Composición química de los aceros en
estudio.
Acero C Mn Si P S Ti Nb
C-Mn 0.06 0.19 0.02 0.008 0.008 0.001 0.001
Nb 0.09 0.99 0.08 0.018 0.005 0.001 0.039
Ti-Nb 0.088 0.91 0.31 0.024 0.007 0.075 0.025
Los aceros microaleados presentan un contenido
de C levemente superior y de Mn
significativamente mayor.
El acero Nb presenta además un bajo contenido de
Si y el mayor contenido de Nb. El acero Ti-Nb
contiene el mayor porcentaje de Si, con la
presencia de Ti y Nb.
3.2 Análisis dilatométrico
En la figura 1 se puede ver una de las curvas
obtenidas para dilatometría (DA) correspondientes
a los tres aceros analizados.
a b
c
Figura 1.- Curvas de dilatometría: a- acero Nb; b-
acero Ti-Nb y c-acero C-Mn.
En la tabla II se muestran las temperaturas críticas
AC1 y AC3 obtenidas por dilatometría para los tres
aceros, determinadas a una velocidad de
calentamiento de 15ºC/min.
Tabla II.- Temperaturas críticas AC1 y AC3
determinadas por DA para los tres aceros
analizados.
Temp [º C] Nb Ti-Nb C-Mn
Ac1 768 768 765
Ac3 910 890 915
Como puede verse en la tabla no se observan
diferencias significativas entre los tres aceros para
la temperatura AC1, de acuerdo a lo esperado. Para
la temperatura AC3 se observa una mayor
diferencia entre los tres aceros analizados,
encontrándose una disminución de dicha
temperatura con el aumento del contenido de
aleación, en concordancia con lo esperado.
A partir de estas curvas se definieron las
temperaturas de tratamientos térmicos a fin de
obtener diferentes fracciones de martensita, a fin
de analizar las transformaciones de fase y las
propiedades mecánicas de los distintos aceros DP
obtenidos.
3.3. Caracterización microestructural y
microdureza
En la figura 2 se observan las microestructuras
obtenidas para el acero Nb correspondientes a 860,
880 y 930ºC.
Figura 2.- Microestructuras correspondientes al
metal base y 860ºC, 880ºC y 930ºC para el acero
Nb.
Como puede verse en la figura, el metal base
presenta granos ferríticos y carburos globulizados.
El tamaño de grano medio original es de 6,5
micrones. Las muestras tratadas térmicamente
muestran una microestructura dual, compuesta por
ferrita y martensita. La fracción de martensita
aumenta con la temperatura. Para 930ºC la
microestructura es fundamentalmente martensítica.
Sin embargo so observa un aumento de la
temperatura crítica superior, respecto a lo
determinado por dilatometría.
En la figura 3 se observan las microestructuras
obtenidas para el acero Ti-Nb, correspondientes a
820ºC, 860ºC y 950ºC.
El metal base presenta granos ferríticos equiaxiales
y carburos globulizados. El tamaño de grano
medio original es de 7,2 micrones. Las muestras
t ra tadas térmicamente muestran una
microestructura dual, compuesta por ferrita y
martensita. La fracción de martensita aumenta con
la temperatura. Para 950ºC la microestructura es
prácticamente martensítica. Asimismo, se observó
aumento de la temperatura crítica superior,
respecto a lo determinado por dilatometría.
En la figura 4 se observan las microestructuras
obtenidas para el acero C-Mn, correspondientes al
metal base y a los tratamientos térmico de 905, 910
y 915 ºC.

CONAMET/SAM-2008


Figura 3.- Microestructuras correspondientes al
metal base, 820ºC, 860ºC y 950ºC para el acero Ti-
Nb.


Figura 4.- Microestructuras correspondientes al
metal base y 905, 910 y 915 para el acero C-Mn.
Como se observa la microestructura original está
compuesta principalmente por granos equiaxiales
ferrita con una pequeña fracción de segundas fases.
El tamaño de grano promedio original fue ASTM
9, siendo de alrededor de 15 micrones. Para las
muestras tratadas térmicamente se observa la
presencia granos equiaxiales de ferrita y
martensita, cuya fracción aumenta con la
temperatura de tratamiento térmico.
En la figura 5 se pueden observar imágenes SEM
correspondientes a distintas fracciones de
martensita en los DP obtenidos a partir de los
aceros microaleados.
La diferencia más significativa entre los aceros DP
obtenidos a partir de los diferentes aceros base fue
el menor tamaño de grano de los aceros
microaleados respecto del acero al C-Mn. En este
sentido, en los aceros DP obtenidos a partir del
acero C-Mn el grano ferrítico presenta un mayor
tamaño y la fase martensítica se observa más
gruesa que para el caso de los DP obtenidos a
partir de los aceros microaleados. Este efecto
estaría asociado a la presencia de los microaleantes
que impiden el crecimiento del grano austenítico
[3].


Figura 5. Imágenes SEM correspondientes a: a-Nb
840, b- Nb 860, c- TiNb 820, d- TiNb 845.
En las tablas III a V se muestran los resultados
obtenidos de la metalografía cuantitativa y de la
determinación de microdureza, para los distintos
casos.
Tabla III.- Metalografía cuantitativa y microdureza
para los distintos tratamientos térmicos del acero
Nb.
T (ºC) M (%) HV (1kg)
Metal Base 0 156
840 26 183
860 30 196
880 70 298
930 77 363
Martensita - 387
Tabla IV.- Metalografía cuantitativa y microdureza
para los distintos tratamientos térmicos del acero
TiNb.
T (ºC) M (%) HV (1kg)
Metal Base 0 188
820 30 236
845 43 249
860 48 259
920 83 400
950 100 414
Tabla V.- Metalografía cuantitativa y microdureza
para los distintos tratamientos térmicos del acero
C-Mn.
T (ºC) M (%) Hv (1kg)
Metal Base 0 120
900 14 136
905 29 160
910 35 177
915 42 191
Martensita - 372

CONAMET/SAM-2008
Para los aceros microaleados se obtuvieron aceros
DP con fracciones de martensita que van desde 25
hasta 100%. Para el acero al CMn, se obtuvieron
fracciones de martensita máximas del orden de
40%, debido a la pobre templabilidad del material,
como se mencionó anteriormente. En todos los
casos se observó un endurecimiento asociado a la
fracción de martensita de acuerdo a lo esperado
para este tipo de materiales. En la figura 6 se
grafica el porcentaje de martensita en función de la
dureza, para los tres aceros analizados.
Figura 6.- Porcentaje de martensita en función de
la dureza para los tres aceros analizados.
Para los tres casos se obtuvieron expresiones
experimentales que permiten predecir el porcentaje
de martensita en función de la dureza con una
buena correlación (R2>0,94). Asimismo la dureza
fue mayor en los microealeados y en particular en
el acero TiNb, consistentemente con el aumento
del contenido de carbono, con un menor tamaño de
grano y un mayor nivel de aleantes.
Como puede observarse en las tablas III a V, las
temperaturas de tratamiento térmico requeridas
para obtener las fracciones de martensita buscadas,
mostraron un corrimiento respecto de las
temperaturas nominales definidas a partir de la
dilatometría. Este corrimiento podría explicarse a
partir de la mayor velocidad de calentamiento de la
muestra al introducirla en el horno de tratamiento
térmico, respecto de la empleada en el dilatómetro.
La mayor diferencia se presentó para el acero C-
Mn. A su vez, para este material no fue posible
obtener las mayores fracciones de martensita
debido a su pobre templabilidad. Para este caso, se
obtuvo la dureza de la martensita a través de
mediciones sobre esa fase.
3.4. Propiedades mecánicas
En la figura 7 se observa la probeta mecanizada y
el ensayo de tracción de las mismas.
En las figuras 8, 9 y 10 se observan las curvas
carga- alargamiento obtenidas para las probetas DP
de los distintos acero analizados.
a b
Figura 7. a-Probeta y b- ensayo de tracción.
Figura 8. Curvas carga-alargamiento obtenidas
para las probetas DP del acero Nb.
Figura 9. Curvas carga-alargamiento obtenidas
para las probetas DP del acero TiNb.
Figura 10. Curvas carga-alargamiento obtenidas
para las probetas DP del acero CMn.
En todos los casos se observó un aumento de la
resistencia con la temperatura de tratamiento
térmico, lo que se corresponde a una mayor
fracción de martensita.
En la figura 1 1 se observan dos probeta ensayadas
correspondientes al metal base del acero C-Mn y a

CONAMET/SAM-2008
950ºC del acero TiNb.
En la figura 12 se observan las superficies de
fractura de cuatro de las muestras ensayadas.

CMn TiNb 950
Figura 11. Probetas a-CMn y b- 950 TiNb
ensayadas.

CMn (360MPa) Nb860 (760MPa)

TiNb845 (847MPa) TiNb950 (1247MPa)
En todos los casos se observó una superficie de
fractura dúctil.
En las tablas VI a VIII se muestran los resultados
obtenidos de los ensayos de tracción para las
distintas condiciones analizadas.
Tabla VI. Resultados de ensayos de tracción para
las distintas condiciones analizadas del acero Nb.
Probeta %M ?uts(MPa)
?y
(MPa)
e
(%)
Nb 0 450 390 25
Nb-840 26 751 484 10,6*
Nb-860 30 760 481 11,4
Nb-880 70 817 510 9,6
Nb-930 77 838 606 6,4
*la rotura se produjo fuera del tercio medio.
Tabla VII. Resultados de ensayos de tracción para
las distintas condiciones analizadas del acero Nb.
Probeta %M ?uts(MPa)
?y
(MPa)
e
(%)
TiNb 0 500 405 24,0
TiNb-820 30 817 473 11,6
TiNb-845 43 847 475 14,0
TiNb-860 48 827 460 13,2*
TiNb-950 99 1247 1062 4,9
*la rotura se produjo fuera del tercio medio.
Tabla VIII. Resultados de ensayos de tracción para
las distintas condiciones analizadas del acero Nb.
Probeta %M ?uts(MPa)
?y
(MPa)
e
(%)
C-Mn 0 360 256 25,0
C-Mn-905 29 566 394 10,5
C-Mn-915 42 582 418 9,9
Estos valores obtenidos son consistentes con
resultados reportados previamente para este tipo de
materiales obtenidos a partir de otros aceros base
[1,4,6].
Los aceros DP obtenidos a partir de los aceros
microaleados presentaron los mejores resultados,
particularmente el acero TiNb. En este sentido, se
observó un mayor endurecimiento por
deformación en estos materiales que en el acero
CMn. La relación ?y/?uts para fracciones de
martensita ente 25 y 50% fue de alrededor de 0,5
para el acero TiNb, 0,6 para el acero Nb y 0,7 para
el CMn. La relación de endurecimiento para el
acero TiNb es mayor a lo usualemente obtenido
(0,58 a 0,62) [1,4]. Asimismo para el acero TiNb
se obtuvieron los mayores valores de alargamiento
para igual fracción de martensita.
Este mejor comportamiento de estos materiales
estaría asociado a una más fina distribución de la
fase martensítica en una matriz ferrítica de menor
tamaño de grano [3].
En la figura 13 se grafica la resistencia a la
tracción de los DP obtenidos en función del
porcentaje de martensita, para cada acero.
Figura 13. Resistencia a la tracción en función del
porcentaje de martensita, para los distintos aceros
analizados.
Los mayores valores de resistencia a la tracción se
obtuvieron para las probetas obtenidas a partir del
acero Ti-Nb, seguido por el acero Nb y finalmente
el acero CMn, para una misma fracción de
martensita, como se ve en la figura 13. Esto podría
estar asociado al menor tamaño de grano de los
aceros microaleados, respecto del acero al CMn.
Asimismo, se observó una buena correlación entre
los valores de dureza medidos y la resistencia a la
tracción, para los distintos materiales base. En la
figura 14 se grafica la resistencia a la tracción en
función de la dureza para los distintos DP
obtenidos.
Se obtuvo una expresión que permite estimar la
resistencia a la tracción a partir de los valores de
dureza. Los valores obtenidos son consistentes con
otras expresiones desarrolladas previamente para
aceros convencionales [7].

CONAMET/SAM-2008
Figura 14. Resistencia a la tracción en función de
la dureza para los distintos DP obtenidos.
Desde el punto de vista tecnológico es de interés
estimar la resistencia a la tracción en función de la
temperatura de tratamiento térmico. En la figura 15
se grafica la resistencia a la tracción en función de
la temperatura de tratamiento térmico para los
distintos DP obtenidos.
Figura 15. Resistencia a la tracción en función de
la temperatura de tratamiento térmico para los
distintos DP obtenidos.
Se obtuvieron ecuaciones experimentales que
permiten estimar la resistencia a la tracción a partir
de la temperatura de tratamiento térmico en la
obtención de los aceros DP empleando diferentes
materiales base.
A partir de esta primer etapa se debe realizar más
trabajo experimental y de caracterización de las
condiciones analizadas a fin de avanzar en la
comprensión de los mecanismos involucrados en
el endurecimiento por deformación de los aceros
DP obtenidos a partir de los acero microaleados.
4. CONCLUSIONES
- Se obtuvieron aceros dual phase a partir de tres
aceros base diferentes y se evaluaron las
transformaciones de fase y las propiedades
mecánicas en cada caso.
- Se obtuvieron estructuras ferrítico-martensíticas
homogéneas. Para el acero convencional CMn se
obtuvieron fracciones de martensita de hasta 40%
mediante tratamientos térmicos entre 900 y 915C.
- Para los aceros microaleados se obtuvieron
fracciones de martensita entre 25 y 80%, con
tratamientos térmicos entre 820 y 930C.
-Los DP obtenidos a partir de aceros microaleados
presentaron las mejores propiedades mecánicas a
igual fracción de martensita. Particularmente el
acero microaleado al TiNb presentó las mejores
combinaciones de resistencia y alargamiento, junto
con una mayor relación de endurecimiento.
-Los DP obtenidos a partir de acero microaleados
de grano fino (6-7 micrones) presentaron
resistencias desde 480/780 hasta 1060/1250, con
alargamientos entre 5-14%. Las relaciones de
endurecimiento obtenidas fueron de 0,5 a 0,6 para
estos aceros.
-Los DP obtenidos a partir de aceros al CMn
(tamaño de grano 15 micrones) presentaron
resistencias del orden de 400/570, con
alargamientos de 10% y relación de
endurecimiento de 0,7.
-Se obtuvieron expresiones que relacionan la
dureza, la resistencia a la tracción, el porcentaje de
martensita y la temperatura de tratamiento térmico,
par cada uno de los aceros evaluados.
5. REFERENCIAS
1. Iron and Steel Institute, “Advanced High
Strenght Steels (AHSS): Application Guidelines”,
Iron and Steel Institute, Committee of Automotive
Applications, 2005.
2. S. Lalam, B. Yan, “Weldability of AHSS”,
Society of Automotive Engineers, International
Congress, Detroit, 2004.
3. M. Delince, Y. Brechet, J.D. Embury, M.G.D.
Geers, P.J. Jacques, T. Pardo, “Structure–property
optimization of ultrafine-grained dual-phase steels
using a microstructure-based strain hardening
model”, Acta Materialia 55, 2007, pp. 2337-2350.
4. S. Oliver, T.B. Jones, G. Fourlaris, “Dual phase
versus TRIP strip steels: Microstructural changes
as a consequence of quasi-static and dynamic
tensile testing”, Materials Characterization, 58,
2007, pp. 390-400.
5. ASTM E562-99 "Standard Test Method for
Determining Volume Fraction by Systematic
Manual Point Count", 1999.
6. Xuan Lianga, Jun Lib, Ying Hong Penga,
“Effect of water quench process on mechanical
properties of cold rolled dual phase steel
microalloyed with niobium”, Materials Letters,
May 2007.
7. Dieter, G., “Mechanical Metallurgy”, 3rd
Edition, McGRaw-Hill, 1986, pp. 751.
AGRADECIMIENTOS

CONAMET/SAM-2008
Los autores desean agradecer a Siderar y Brasimet
por la provisión de los aceros analizados, así como
a INTI- Mecánica por el apoyo para la realización
del presente trabajo.