EL ACERO
El ACERO, como material indispensable de refuerzo
en las construcciones, es una aleación de hierro y carbono, en proporciones variables, y pueden llegar
hasta el 2% de carbono, con el fin de mejorar algunas de sus propiedades, puede
contener también otros elementos. Una de sus características es admitir el
temple, con lo que aumenta su dureza y su flexibilidad.
En las décadas recientes, los ingenieros y
arquitectos han estado pidiendo continuamente aceros cada vez más sofisticados,
con propiedades de resistencia a la corrosión, aceros mas soldables y otros requisitos.
La investigación llevada a cabo por la industria del acero durante este periodo
ha conducido a la obtención de varios grupos de nuevos aceros que satisfacen
muchos de los requisitos y existe ahora una amplia variedad cubierta gracias a
las normas y especificaciones actuales.
Las propiedades físicas de los aceros y su
comportamiento a distintas temperaturas dependen sobre todo de la cantidad de
carbono y de su distribución. Antes del tratamiento térmico, la mayoría de los
aceros son una mezcla de tres sustancias, Ferrita, Perlita y Cementita.
La Ferrita, blanda y dúctil, es hierro con pequeñas
cantidades de carbono y otros elementos en disolución.
La Cementita, es un compuesto de hierro con el 7% de carbono
aproximadamente, es de gran dureza y muy quebradiza.
La Perlita es una mezcla de ferrita y cementita, con una
composición específica y una estructura característica, sus propiedades físicas
con intermedias entre las de sus dos componentes.
La resistencia y dureza de un acero que no ha sido
tratado térmicamente depende de las proporciones de estos tres ingredientes,
cuanto mayor es el contenido en carbono de un acero, menor es la cantidad de
ferrita y mayor la de perlita: cuando el acero tiene un 0,8% de carbono, está
por compuesto de perlita. El acero con cantidades de carbono aún mayores es una
mezcla de perlita y cementita.
PROCESO DE FABRICACIÓN DEL
ACERO
El proceso de fabricación se divide básicamente en
dos fases: la fase de fusión y la fase de afino.
Fase de fusión
Una vez introducida la chatarra en el horno y los
agentes reactivos y escorificantes (principalmente cal) se desplaza la bóveda
hasta cerrar el horno y se bajan los electrodos hasta la distancia apropiada,
haciéndose saltar el arco hasta fundir completamente los materiales cargados.
El proceso se repite hasta completar la capacidad del horno, constituyendo este
acero una colada.
Fase de afino
El afino se lleva a cabo en dos etapas. La primera en
el propio horno y la segunda en un horno cuchara.
En el primer afino se analiza la composición del
baño fundido y se procede a la eliminación de impurezas y elementos indeseables
(silicio, manganeso, fósforo, etc.) y realizar un primer ajuste de la composición
química por medio de la adición de ferroaleaciones que contienen los elementos
necesarios (cromo, niquel, molibdeno, vanadio, titanio, etc.).
El acero obtenido se vacía en una cuchara de
colada, revestida de material refractario, que hace la función de cuba de un
segundo horno de afino en el que termina de ajustarse la composición del acero
y de dársele la temperatura adecuada para la siguiente fase en el proceso de
fabricación.
El control del proceso
Para obtener un acero de calidad el proceso debe
controlarse en todas sus fases empezando, como ya se ha comentado, por un
estricto control de las materias primas cargadas en el horno.
Durante el proceso se toman varias muestras del
baño y de las escorias para comprobar la marcha del afino y poder ir ajustando
la composición del acero. Para ello se utilizan técnicas instrumentales de
análisis (espectómetros) que permiten obtener resultados en un corto espacio de
tiempo, haciendo posible un control a tiempo real y la adopción de las
correcciones precisas de forma casi instantánea, lográndose así la composición
química deseada. Los dos elementos que más pueden influir en las
características y propiedades del acero obtenido, el carbono y el azufre, se
controlan de forma adicional mediante un aparato de combustión LECO. Pero
además de la composición del baño y de la escoria, se controla de forma
rigurosa la temperatura del baño, pues es la que determina las condiciones y la
velocidad a la que se producen las distintas reacciones químicas durante el
afino.
La colada continua es un procedimiento siderúrgico
en el que el acero se vierte directamente en un molde de fondo desplazable,
cuya sección transversal tiene la forma geométrica del semiproducto que se
desea fabricar.
La artesa receptora tiene un orificio de fondo, por
el que distribuye el acero líquido en varias líneas de colada, cada una de las
cuales dispone de su lingotera o molde, generalmente de cobre y paredes huecas
para permitir su refrigeración con agua, que sirve para dar forma al producto.
Durante el proceso la lingotera se mueve alternativamente hacia arriba y hacia
abajo, con el fin de despegar la costra sólida que se va formando durante el
enfriamiento.
Posteriormente se aplica un sistema de enfriamiento
controlado por medio de duchas de agua fría primero, y al aire después,
cortándose el semiproducto en las longitudes deseadas mediante sopletes que se
desplazan durante el corte.
Finalmente, se identifican todas las palanquillas
con el número de referencia de la colada a la que pertenecen, como parte del
sistema implantado para determinar la trazabilidad del producto, vigilándose la
cuadratura de su sección, la sanidad interna, la ausencia de defectos externos
y la longitud obtenida.
La laminación
Las palanquillas no son utilizables directamente,
debiendo transformarse en productos comerciales por medio de la laminación o
forja en caliente.
De forma simple, podríamos describir la laminación
como un proceso en el que se hace pasar al semiproducto (palanquilla) entre dos
rodillos o cilindros, que giran a la misma velocidad y en sentidos contrarios,
reduciendo su sección transversal gracias a la presión ejercida por éstos. En
este proceso se aprovecha la ductilidad del acero, es decir, su capacidad de
deformarse, tanto mayor cuanto mayor es su temperatura. De ahí que la
laminación en caliente se realice a temperaturas comprendidas entre 1.250 ºC,
al inicio del proceso, y 800 ºC al final del mismo.
La laminación sólo permite obtener productos de
sección constante, como es el caso de las barras corrugadas.
IMPUREZAS DEL ACERO
Se denomina impurezas a todos los elementos
indeseables en la composición de los aceros. Se encuentran en los
aceros y también en las fundiciones como consecuencia de que están presentes en
los minerales o los combustibles. Se procura eliminarlas o reducir su contenido
debido a que son perjudiciales para las propiedades de la aleación. En los
casos en los que eliminarlas resulte imposible o sea demasiado costoso, se
admite su presencia en cantidades mínimas.
Azufre
Límite máximo aproximado 0,04%. El azufre forma con
el hierro sulfuro, el que conjuntamente con la austenita da lugar a un
eutéctico cuyo punto de fusión es bajo y que por lo tanto aparece en bordes de
grano. Cuando los lingotes de acero colado deben ser laminados en caliente,
dicho eutéctico se encuentra en estado líquido, lo que provoca el
desgranamiento del material
Fósforo
Límite máximo aproximado: 0,04%. El fósforo resulta
perjudicial ya sea al disolverse en la ferrita, pues disminuye la ductilidad,
como así también por formar PFe3 (Fosfuro de hierro). El fosfuro de hierro
forma junto con la austenita y la cementita un eutéctico ternario denominado
esteadita el cual es sumamente frágil y posee punto de fusión relativamente
bajo, por lo cual aparece en bordes de grano, transmitiéndole al material su
fragilidad.
PROCESO DE PRODUCCIÓN Y
OBTENCIÓN DEL ACERO
El acero se fabrica partiendo de la fundición o
hierro colado, éste es muy impuro, pues contiene excesiva cantidad de carbono,
silicio, fósforo y azufre, elementos que perjudican considerablemente la
resistencia del acero y reducen el campo de sus aplicaciones.
La fabricación verdadera del acero se inició hacia
1856, cuando se introdujo en la siderurgia el empleo del convertidor Bessemer,
consistente en un recipiente de gran capacidad y de forma de pera, de paredes
de hierro y fondo provisto de numerosos orificios, a través de los cuales se
hacía llegar una potente corriente de aire, que removía con violencia la masa
de hierro colado fundido que llenaba el convertidor.
Más modernos aún son los aceros eléctricos,
obtenidos en hornos eléctricos, en éstos se afina el acero obtenido en los
hornos Martín Siemens, y se le recarbura con carbono puro o aglomerados de
limaduras de hierro y carbón vegetal. Las propiedades del acero se modifican
con relativa facilidad, calentándolo a temperatura próxima a 1.000 °C y sumergiéndolo
con rapidez en agua, aceite o mercurio fríos (temple) se aumenta su
elasticidad; si, por el contrario, se le calienta a elevada temperatura y se le
deja enfriar lentamente (recocido) se obtiene acero menos elástico pero más
tenaz y resistente al choque.
El acero es una aleación de hierro y carbono, esto,
es, un carburo de hierro, por eso no existe de él un tipo único; sus
propiedades (tenacidad, elasticidad, etc.) varían según el contenido de carbono
y la clase empleada en su fabricación (martensita, perlita, ferrita o hierro
puro), también influye en él, el método seguido en su fabricación. Existen
aceros duros, rápidos (resistentes a la lima), etc. El acero es de gran
importancia a causa de las múltiples aplicaciones que recibe. Se pueden
modificar sus propiedades aleándolo con otros metales; de este modo se obtienen
los aceros especiales.
El acero líquido se elabora a partir del mineral
(procedimiento de fundición) o de chatarras (procedimiento eléctrico).
A continuación, el acero líquido se solidifica por
moldeo en una máquina de colada continua.
A la salida, se obtienen los SEMI-PRODUCTOS: barras
de sección rectangular (desbastes) o cuadrada (tochos o palanquillas), que son
las piezas en bruto de las formas finales.
Por último, las piezas en bruto se transforman en
PRODUCTOS TERMINADOS mediante el laminado, y algunos de ellos se someten a
tratamiento térmico. Más de la mitad de las planchas laminadas en caliente son
relaminadas en frío y eventualmente reciben un revestimiento de protección
anticorrosión.
MÉTODOS DE REFINAMIENTO
Los materiales básicos para la fabricación de
lingotes de acero es material férrico coque y caliza. El coque se quema como un
combustible para calentar el horno; cuando se quema el coque, este emite
monóxido de carbono que se combina con los óxidos férricos, reduciéndolos a
hierro metálico, esta es la reacción química básica en el horno de la
explosión; tiene la ecuación: Fe2O3+3CO = 3CO2+2Fe.
Los lingotes de hierro ordinario son producidos por
hornos de la explosión que contiene hierro aproximadamente en un 92%, carbono
3% o 4%, silicón 0.5% a 3%, manganeso 0.25% a 2.5%, fósforo 0.04% a 2%, y un
rastro de azufre.
Un desarrollo importante en tecnología de horno de
explosión, es el uso de hornos presurizados los cuales se introdujeron después
de la segunda guerra mundial. Estos consisten en acumulación de gases, y luego
su pronta liberación, pero además de eso esta técnica hace posible la mejor
combustión del coque y rendimiento más alto del lingote de acero, además de
ello el rendimiento aumenta en un 25%. También es indispensable para acelerar
el proceso implementar al conjunto aire y oxigeno.
Cualquier escoria que pueda fluir del horno con el
metal, se desnata fuera del horno, antes de que el fluido se introduzca en el
recipiente.
En resumen el refinamiento consististe, el evacuar
del acero a producir, todas las impurezas que puedan afectar a este. Se
comienza con la evacuación de vapores o gases dañinos, y luego con las
escorias, para así tener un acero de la calidad que uno desea.
ALEACIONES
Debido a que las aleaciones han venido ganando un
gran campo de acción en la Ingeniería, podíamos conocer las propiedades que
caracterizan a cada tipo de aleación. La resistencia no es la única
característica que nos permite decidir si el elemento tendrá un desempeño
óptimo. Un desempeño satisfactorio depende también de la densidad, la
resistencia a la corrosión y los efectos de la temperatura, así como también de
las propiedades eléctricas y magnéticas. Como ejemplo consideremos algunas partes
para las cuales son especialmente apropiadas ciertas aleaciones.
Aleaciones de aluminio: partes de aviones (alta
resistencia en la relación con su peso)
Aleaciones de magnesio:
fundiciones para aviones
(compite con el aluminio)
Aleaciones de cobre:
alambres eléctricos (alta
conductividad)
Aleaciones de níquel:
partes para turbinas de
gas (alta resistencia a temperaturas elevadas).
Encontramos que más del 95% en peso de los metales
de ingeniería, utilizados en los Estados Unidos cada año son aleaciones basadas
en aluminio, magnesio, cobre hierro y níquel. De hecho, más del 85% es de la
familia basada en el hierro y, a pesar de que los porcentajes para las
aleaciones de magnesio y níquel son pequeños, estas tienen gran importancia y
sería conveniente conocer algunas de las características principales de algunos
tipos de aleaciones.
ALEACIONES MARTENSITICAS
Contienen de 12 a 20% de cromo con cantidades
controladas de carbono y otros aditivos. El tipo 410 es un miembro
característico de este grupo. Esas aleaciones se pueden endurecer mediante el
tratamiento térmico, con un aumento en la resistencia a la tracción de 550 a
1380 MPa (80000 a 200000 lbf / in2 ). La resistencia a la corrosión es inferior
a la de los aceros inoxidables austeniticos y los aceros martensíticos se
utilizan en general en ambientes ligeramente corrosivos (atmosférico, agua
dulce y materiales orgánicos).
ALEACIONES INOXIDABLES
VACIADAS
Se utilizan mucho en bombas, válvulas y accesorios.
Esas aleaciones vaciadas se designan según el sistema de Alloy Casting
lnstitute (ACI). Todas las aleaciones resistentes a la corrosión tienen la
letra C más otra letra (A a N) que denota el contenido creciente de níquel. Los
números indican el contenido máximo de carbono. Aunque se puede hacer una
comparación aproximada entre los tipos ACl y Los AISI, las composiciones no son
idénticas y los análisis no se pueden utilizar en forma intercambiable. Las técnicas
de fundición requieren un rebalanceo de las composiciones químicas forjadas.
Sin embargo, la resistencia a la corrosión no se ve afectada por esos cambios
de composición.
Los miembros característicos de este grupo son CF-
similar al acero inoxidable tipo 304; CF-8M, similar al tipo 316 CD-4M Cu, que
tiene una resistencia mecánica al ácido nítrico, al sulfúrico y al fosfórico.
Un acero PH usual que contiene 17% Cr, 7% Ni 1.1% Al tiene una resistencia
elevada, buenas propiedades ante la fatiga y buena resistencia al desgaste. Un
número elevado de estos aceros, con composiciones variables, se encuentran
disponibles comercialmente. En forma esencial contienen cromo y níquel con
agentes agregados de aleación como cobre, aluminio, berilio, molibdeno, nitrógeno
y fósforo.
ALEACIONES MEDIAS
Un grupo de aleaciones en su mayor parte
patentadas, con una resistencia ligeramente mejor a la corrosión que la de los
aceros inoxidables se denominan aleaciones medias. Uno de los miembros más
populares de este grupo es la aleación 20, producida por ciertas compañías con
diversos nombres comerciales. La aleación 20 se desarrollo originalmente para
satisfacer la necesidad de un material con una resistencia al ácido sulfúrico
superior a la de los aceros inoxidables.
Estas aleaciones tienen una aplicación muy amplia
en los sistemas de ácido sulfúrico. Debido a su alto contenido de níquel y
molibdeno tienen mayor tolerancia a la contaminación por el ion cloruro que los
aceros inoxidables estándares. El contenido de níquel disminuye el riesgo de
fractura debido a la corrosión por esfuerzo. El molibdeno mejora la resistencia
a la corrosión por grieta y a las picaduras.
ALEACIONES ALTAS
El grupo de materiales que se denominan aleaciones
altas contienen porcentajes relativamente grandes de níquel. El Hastelloy B-2
contiene 61% Ni, y 28% Mo. Existen en la forma forjada y vaciada. El
endurecimiento por trabajo presenta ciertas dificultades de fabricación y el
maquinado es un poco más difícil que para el acero inoxidable del tipo 316. Se
pueden utilizar métodos tradicionales de soldadura. La aleación tiene una
resistencia desacostumbrada alta a todas las concentraciones de ácido
clorhídrico.
El Coloriste 2 tiene 63% Ni y 32% Mol y se asemeja
al Hastelloy B-2. Existe sólo en forma vaciada, principalmente en válvulas y bombas.
Se trata de una aleación dura, muy resistente a los choques mecánicos y
térmicos. Se puede labrar con herramientas de punta de carburo y soldar con
técnicas de arco metálico.
ESTRUCTURA DEL ACERO
Las propiedades físicas de los aceros y su comportamiento
a distintas temperaturas dependen sobre todo de la cantidad de carbono y de su
distribución en el hierro. Antes del tratamiento térmico, la mayor parte de los
aceros son una mezcla de tres sustancias: ferrita, perlita y cementita. La
ferrita, blanda y dúctil, es hierro con pequeñas cantidades de carbono y otros
elementos en disolución. La cementita, un compuesto de hierro con el 7% de
carbono aproximadamente, es de gran dureza y muy quebradiza. La perlita es una
profunda mezcla de ferrita y cementita, con una composición específica y una
estructura característica, y sus propiedades físicas son intermedias entre las
de sus dos componentes.
La resistencia y dureza de un acero que no ha sido
tratado térmicamente depende de las proporciones de estos tres ingredientes.
Cuanto mayor es el contenido en carbono de un acero, menor es la cantidad de
ferrita y mayor la de perlita: cuando el acero tiene un 0,8% de carbono, está
por completo compuesto de perlita. El acero con cantidades de carbono aún
mayores es una mezcla de perlita y cementita.
Al elevarse la temperatura del acero, la ferrita y
la perlita se transforman en una forma alotrópica de aleación de hierro y
carbono conocida como austenita, que tiene la propiedad de disolver todo el
carbono libre presente en el metal. Si el acero se enfría despacio, la
austenita vuelve a convertirse en ferrita y perlita, pero si el enfriamiento es
repentino la austenita se convierte en martensita, una modificación alotrópica
de gran dureza similar a la ferrita pero con carbono en solución sólida
TRATAMIENTO TÉRMICO DEL
ACERO
El proceso básico para endurecer el acero mediante
tratamiento térmico consiste en calentar el metal hasta una temperatura a la
que se forma austenita, generalmente entre los 750 y 850 ºC, y después
enfriarlo con rapidez sumergiéndolo en agua o aceite. Estos tratamientos de
endurecimiento, que forman martensita, crean grandes tensiones internas en el
metal, que se eliminan mediante el temple o el recocido, que consiste en volver
a calentar el acero hasta una temperatura menor. El temple reduce la dureza y
resistencia y aumenta la ductilidad y la tenacidad.
El objetivo fundamental del proceso de tratamiento
térmico es controlar la cantidad, tamaño, forma y distribución de las
partículas de cementita contenidas en la ferrita, que a su vez determinan las
propiedades físicas del acero.
Hay muchas variaciones del proceso básico. Los
ingenieros metalúrgicos han descubierto que el cambio de austenita a martensita
se produce en la última fase del enfriamiento, y que la transformación se ve
acompañada de un cambio de volumen que puede agrietar el metal si el
enfriamiento es demasiado rápido.
Se han desarrollado tres procesos relativamente
nuevos para evitar el agrietamiento. En el templado prolongado, el acero se
retira del baño de enfriamiento cuando ha alcanzado la temperatura en la que
empieza a formarse la martensita, y a continuación se enfría despacio en el
aire. En el martemplado, el acero se retira del baño en el mismo momento que el
templado prolongado y se coloca en un baño de temperatura constante hasta que
alcanza una temperatura uniforme en toda su sección transversal. Después se
deja enfriar el acero en aire a lo largo del rango de temperaturas de formación
de la martensita, que en la mayoría de los aceros va desde unos 300 ºC hasta la
temperatura ambiente. En el austemplado, el acero se enfría en un baño de metal
o sal mantenido de forma constante a la temperatura en que se produce el cambio
estructural deseado, y se conserva en ese baño hasta que el cambio es completo,
antes de pasar al enfriado final.
Hay también otros métodos de tratamiento térmico
para endurecer el acero. En la cementación, las superficies de las piezas de
acero terminadas se endurecen al calentarlas con compuestos de carbono o nitrógeno.
Estos compuestos reaccionan con el acero y aumentan su contenido de carbono o
forman nitruros en su capa superficial.
En la carburización la pieza se calienta cuando se
mantiene rodeada de carbón vegetal, coque o de gases de carbono como metano o
monóxido de carbono. La cianurización consiste en endurecer el metal en un baño
de sales de cianuro fundidas para formar carburos y nitruros. La nitrurización
se emplea para endurecer aceros de composición especial mediante su
calentamiento en amoníaco gaseoso para formar nitruros de aleación.
VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL
ACERO COMO MATERIAL DE CONSTRUCCIÓN.
VENTAJAS DEL ACERO COMO
MATERIAL ESTRUCTURAL
Alta resistencia._
La alta resistencia del
acero por unidad de peso implica que será poco el peso de las estructuras, esto
es de gran importancia en puentes de grandes claros.
Uniformidad._
Las propiedades del
acero no cambian apreciablemente con el tiempo como es el caso de las
estructuras de concreto reforzado.
Durabilidad._
Si el mantenimiento de
las estructuras de acero es adecuado duraran indefinidamente.
Ductilidad._
La ductilidad es la
propiedad que tiene un material de soportar grandes deformaciones sin fallar
bajo altos esfuerzos de tensión. La naturaleza dúctil de los aceros
estructurales comunes les permite fluir localmente, evitando así fallas
prematuras.
Tenacidad._
Los aceros estructurales
son tenaces, es decir, poseen resistencia y ductilidad. La propiedad de un
material para absorber energía en grandes cantidades se denomina tenacidad.
Otras ventajas importantes
del acero estructural son:
·
Gran facilidad
para unir diversos miembros por medio de varios tipos de conectores como son la
soldadura, los tornillos y los remaches.
·
Posibilidad de
prefabricar los miembros de una estructura.
·
Rapidez de
montaje.
·
Gran capacidad
de laminarse y en gran cantidad de tamaños y formas.
·
Resistencia a
la fatiga.
·
Posible rehuso
después de desmontar una estructura.
DESVENTAJAS DEL ACERO COMO
MATERIAL ESTRUCTURAL
Costo de mantenimiento._ La mayor parte de los
aceros son susceptibles a la corrosión al estar expuestos al agua y al aire y,
por consiguiente, deben pintarse periódicamente.
Costo de la protección
contra el fuego._
Aunque
algunos miembros estructurales son incombustibles, sus resistencias se reducen
considerablemente durante los incendios.
Susceptibilidad al pandeo._
Entre más largos y
esbeltos sean los miembros a compresión, mayor es el peligro de pandeo. Como se
indico previamente, el acero tiene una alta resistencia por unidad de peso,
pero al utilizarse como columnas no resulta muy económico ya que debe usarse
bastante material, solo para hacer más rígidas las columnas contra el posible
pandeo.
"El acero estructural
puede laminarse en forma económica en una gran variedad de formas y tamaños sin
cambios apreciables en sus propiedades físicas. Generalmente los miembros
estructurales más convenientes son aquellos con grandes momentos de inercia en
relación con sus áreas. Los perfiles I, T y L tienen
esta propiedad".
CARACTERISTICAS DE LOS
ACEROS
Tenemos tres aceros a elegir
·
El acero al
carbono que se empleará cuando trabajemos a temperaturas superiores de -28ºC,
·
El acero
inoxidable cuando trabajemos a temperaturas entre -28ºC y -45ºC
·
El acero con
una aleación de 3,5% de níquel que se empleará a temperaturas inferiores a
-45ºC.
A continuación se expondrán las características de
cada uno de estos aceros.
Aceros al carbono
Más del 90% de todos los aceros son aceros al
carbono. Están formados principalmente por hierro y carbono. Estos aceros
contienen diversas cantidades de carbono y menos del 1,65% de manganeso, el
0,60% de silicio y el 0,60% de cobre. Entre los productos fabricados con aceros
al carbono figuran máquinas, carrocerías de automóvil, la mayor parte de las
estructuras de construcción de acero, cascos de buques, somieres y horquillas.
Aceros inoxidables
Los aceros inoxidables contienen cromo, níquel y
otros elementos de aleación, que los mantienen brillantes y resistentes al
herrumbre y oxidación a pesar de la acción de la humedad o de ácidos y gases
corrosivos. Algunos aceros inoxidables son muy duros; otros son muy resistentes
y mantienen esa resistencia durante largos periodos a temperaturas extremas. Se
emplea para las tuberías y tanques de refinerías de petróleo o plantas
químicas, para los fuselajes de aviones o para cápsulas espaciales.
En la industria química y petroquímica, los aceros
inoxidables ofrecen elevada resistencia a la corrosión y excelentes propiedades
mecánicas así como un bajo costo de mantenimiento.
Los aceros inoxidables son más resistentes a la
corrosión y a las manchas de los que son los aceros al carbono y de baja
aleación. Este tipo de resistencia superior a la corrosión se produce por el
agregado del elemento cromo a las aleaciones de hierro y carbono.
La mínima cantidad de cromo necesaria para conferir
esta resistencia superior a la corrosión depende de los agentes de corrosión.
Las principales ventajas del acero inoxidable son:
·
Alta
resistencia a la corrosión.
·
Alta
resistencia mecánica.
·
Apariencia y
propiedades higiénicas.
·
Resistencia a
altas y bajas temperaturas.
·
Buenas propiedades
de soldabilidad, mecanizado, corte, doblado y plegado.
·
Bajo costo de
mantenimiento.
·
Reciclable.
Como consecuencia de diferentes elementos agregados
como níquel, cromo, molibdeno, titanio, niobio y otros, producen distintos
tipos de acero inoxidable, cada uno con diferentes propiedades.
ACEROS DE BAJA ALEACIÓN Y
ALTA RESISTENCIA
Existen un gran número de aceros de alta
resistencia, y baja aleación cubiertos por las normas ASTM bajo varios números.
Además de contener carbono y manganeso, la resistencia de estos aceros se debe
a que se usan como elementos de aleación al columbio, vanadio, cromo, silicio,
cobre, níquel y otros. Estos aceros tienen límites de fluencia tan bajos como
42,000 psi (2,940 kg/cm2) y tan altos como 65,000 psi (4,550 kg/cm2).
Estos aceros tienen mucha mayor resistencia a la corrosión que los aceros
simples al carbón. En este grupo se incluyen el A529, A242, A440, A441, A572 y
A588.
ACEROS ALEADOS TÉRMICAMENTE
TRATADOS PARA LA CONSTRUCCIÓN
Estos aceros contienen elementos de aleación en
mayor cantidad que los de baja aleación y alta resistencia y además se tratan
térmicamente (por revenido y templado), para obtener aceros tenaces y
resistentes. Se enlistan en las normas ASTM con la designación A514 y tienen
límites de fluencia de 90,000 a 100,000 psi (6,300 a 7,030 kg/cm2) dependiendo
del espesor.
Se dice que existen por ahora más de 200 tipos de
acero en el mercado cuyo límite de fluencia está por encima de los 36,000 psi.
La industria del acero experimenta con tipos cuyos esfuerzos de fluencia varían
de 200,000 a 300,000 psi y esto es sólo el principio. Muchos investigadores de
la industria piensan que al final de la década de los 70 se tengan en
disponibilidad aceros de 500,000psi de límite de fluencia. La
fuerza teórica que liga o vincula átomos de hierro se ha estimado que está por
encima de los 4000,000 psi.
Aun cuando el precio del acero se incrementa con el
aumento de su límite de fluencia, este incremento no es linealmente
proporcional y puede resultar económica la utilización de estos aceros, a pesar
de su costo, si el uso de ellos se realiza diseñándolos a sus máximos esfuerzos
permisibles, a máxima eficiencia, sobre todo en piezas de tensión o tirantes,
en vigas con patines impedidos de pandeo, columnas cortas (o de baja relación
de esbeltez). Otra aplicación de estos aceros es frecuente en la llamada construcción
híbrida, en donde se usan dos o más aceros de diferentes resistencias, los más
débiles se colocan en donde los esfuerzos son bajos y los más resistentes en
donde los esfuerzos son mayores.
Otros factores que pueden conducir al uso de aceros
de alta resistencia, son los siguientes:
·
Superior
resistencia a la corrosión.
·
Posible ahorro
en costo de flete, montaje y cimentación, por su menor peso.
·
Uso de vigas
poco aperaltadas (poca altura) que permiten entrepisos menores.
·
Posible ahorro
en materiales de recubrimiento incombustible, ya que pueden utilizarse miembros
más pequeños.
El primer pensamiento de la mayoría de los
ingenieros al elegir el tipo de acero, es el costo directo de los elementos.
Una comparación de costo puede hacerse fácilmente, pero la economía por el
grado de acero a usar no se puede obtener a menos que se involucren: el peso,
las dimensiones, deflexiones. Costos de mantenimiento, fabricación, etc; hacer
una comparación general exacta de los aceros es probablemente imposible la menos
que se tenga un tipo específico de obra a considerar
CLASIFICACIÓN DEL ACERO
Los aceros se clasifican en cinco grupos
principales:
·
Aceros al
carbono,
·
Aceros aleados,
·
Aceros de baja
aleación ultra resistentes,
·
Aceros
inoxidables y aceros de herramientas.
ACEROS AL CARBONO
El 90% de los aceros son aceros al carbono. Estos
aceros contienen una cantidad diversa de carbono, menos de un 1,65% de
manganeso, un 0,6% de silicio y un 0,6% de cobre. Con este tipo de acero se
fabrican maquinas, carrocerías de automóvil, estructuras de construcción,
pasadores de pelo, etc.
Aceros Estructurales
El acero al carbono es el más común, barato y
aplicable de los metales que se emplean en la industria. Tienen una ductilidad
excelente, lo que permite que se utilice en muchas operaciones de formado en
frío. El acero también se puede soldar con facilidad.
Los aceros de alta resistencia se utilizan mucho en
proyectos de ingeniería civil. Los nuevos aceros, por lo general, los
introducen sus fabricantes con marca registrada; pero un breve examen de sus
composiciones, tratamiento térmico y propiedades suele permitir relacionarlos
con otros materiales ya existentes.
En el mercado hay dos clases de aceros al carbono
con tratamiento térmico para usos en la construcción. Los aceros al carbono con
tratamiento térmico están disponibles bien en su condición estándar o enfriados
y templados; su endurecimiento se logra a base del contenido de carbono. Los
aceros de aleación con tratamiento térmico para construcción son aceros
enfriados y templados que contienen cantidades moderadas de elementos de
aleación además del carbono.
Para comprender el comportamiento de las
estructuras de acero, es absolutamente esencial que el diseñador esté
familiarizado con las propiedades del acero. Los diagramas esfuerzo -
deformación presentan una parte valiosa de la información necesaria para
entender cómo será el comportamiento del acero en una situación dada. No pueden
ser desarrollados métodos de diseño satisfactorios a menos que se cuente con
información disponible correspondiente a las relaciones esfuerzo -deformación
del material a utilizarse.
Si una pieza laminada de acero estructural se
somete a una fuerza de tensión, comenzará a alargarse. Si la fuerza de tensión
se incrementa en forma constante, el alargamiento aumentará constantemente,
dentro de ciertos límites. En otras palabras, el alargamiento se duplicará si,
por ejemplo, el esfuerzo aumenta de 6,000 a 12,000 psi (libras por pulgada
cuadrada) (de 420 a 840 kg/cm2). Cuando el esfuerzo de tensión alcanza un valor
aproximadamente igual a la mitad del esfuerzo en la ruptura, el alargamiento
empezará a incrementarse en una proporción mayor que el correspondiente
incremento de esfuerzo.
El mayor esfuerzo para el cual tiene aplicación la
Ley de Hooke, o el punto más alto sobre la porción de línea recta del diagrama
esfuerzo-deformación, es el llamado límite de proporcionalidad. El mayor
esfuerzo que puede soportar el material sin ser deformado permanentemente es
llamado límite elástico. En realidad, este valor es medido en muy pocas
ocasiones y, para la mayor parte de los materiales de ingeniería, incluyendo el
acero estructural, es sinónimo de límite de proporcionalidad. Por tal motivo,
algunas veces se usa el término límite elástico de proporcionalidad.
Al esfuerzo que corresponde un decisivo incremento
en el alargamiento o deformación, sin el correspondiente incremento en
esfuerzo, se conoce por límite de fluencia. Este es también el primer punto,
sobre el diagrama esfuerzo-deformación, donde la tangente a la curva es
horizontal. Probablemente el punto de fluencia es para el proyectista la
propiedad más importante del acero, ya que los procedimientos para diseñar
elásticamente están basados en dicho valor (con excepción de miembros sujetos a
compresión, donde el pandeo puede ser un factor). Los esfuerzos permisibles
usados en estos métodos son tomados usualmente como una fracción (%) del límite
de fluencia. Más allá de tal límite, existe una zona en la cual ocurre un
considerable incremento en la deformación, sin incremento en el esfuerzo. La
deformación que ocurre antes del punto de fluencia, se conoce como deformación
elástica; la deformación que ocurre después del punto de fluencia, sin
incremento en el esfuerzo, se conoce como deformación plástica. El valor total
de esta última, es usualmente de diez a quince veces el valor de la deformación
elástica total.
Podría suponerse que la fluencia del acero, sin
incremento de esfuerzo, es una seria desventaja, pero actualmente es
considerada como una característica muy útil. A menudo ha desempeñado el
admirable servicio de prevenir fallas debidas a omisiones o errores de diseño.
Pudiera ser que un punto de la estructura de acero dúctil alcanzara el punto de
fluencia, con lo que dicha parte de la estructura cedería localmente, sin
incremento del esfuerzo, previniendo así una falla prematura. Esta ductilidad
permite que los esfuerzos de la estructura de acero puedan reajustarse. Otro
modo de describir este fenómeno es diciendo que los muy altos esfuerzos
causados durante la fabricación, montaje o carga, tenderán a uniformarse y
compensarse por sí mismos. También debe decirse que una estructura de acero
tiene una reserva de deformación plástica que le permite resistir sobrecargas y
choques súbitos.
Si no tuviera esa capacidad, podría romperse
bruscamente, como sucede con el vidrio y otras sustancias semejantes.
Siguiendo a la deformación plástica, existe una
zona donde es necesario un esfuerzo adicional para producir deformación
adicional, que es llamada de endurecimiento por deformación (acritud). Esta
porción del diagrama no es muy importante para el diseñador actual. Un diagrama
esfuerzo-deformación para acero dulce estructural, que es bien conocido. Sólo
se muestra la parte inicial de la curva por la gran deformación que ocurre
antes de la falla. En la falla de los aceros dulces, las deformaciones totales
son del orden de 150 a 200 veces las deformaciones elásticas. En realidad, la
curva continuará hasta el esfuerzo correspondiente a la resistencia final y
luego descenderá, "le saldrá cola", antes de la ruptura. Se presenta
una aguda reducción (llamada "estrangulamiento", cuello o
extricción), en la sección transversal del miembro, seguida de la ruptura.
La curva esfuerzo-deformación es una curva típica
de un acero usual dúctil de grado estructural y se supone que es la misma para
miembros en tensión o en compresión. (Los miembros en compresión deben ser
cortos, ya que si son largos la compresión tiende a pandearlos lateralmente, y
sus propiedades se ven afectadas grandemente por los momentos flexionantes.) La
forma del diagrama varía con la velocidad de carga, el tipo de acero y la
temperatura. Se muestra, con línea interrumpida, una variación del tipo
mencionado, indicándose el límite superior de fluencia. Esta forma de la curva
esfuerzo-deformación, es el resultado de aplicar rápidamente la carga al acero
estructural laminado, en tanto que el límite inferior de fluencia corresponde a
carga aplicada lentamente.
Una propiedad muy importante de una estructura que
no haya sido cargada más allá de su punto de fluencia, es que recuperará su
longitud original cuando se le retire la carga. Si se hubiere llevado más allá
de este punto, sólo alcanzaría a recuperar parte de su dimensión original. Este
conocimiento conduce a la posibilidad de probar una estructura existente
mediante carga, descarga y medición de deflexiones. Sí después de que las
cargas se han retirado, la estructura no recobra sus dimensiones originales, es
por qué se ha visto sometida a esfuerzos mayores que su punto de fluencia.
El acero es un compuesto que consiste casi
totalmente de hierro (normalmente más de 98%). Contiene también pequeñas
cantidades de carbono, sílice, manganeso, azufre, fósforo y otros elementos. El
carbono es el material que tiene mayor efecto en las propiedades del acero. La
dureza y resistencia aumentan a medida que el porcentaje de carbono se eleva,
pero desgraciadamente el acero resultante es más quebradizo y su soldabilidad
disminuye considerablemente. Una menor cantidad de carbono hace al acero más
suave y más dúctil pero también menos resistente. La adición de elementos tales
como cromo, sílice y níquel produce aceros considerablemente más resistentes.
Estos aceros, por lo tanto, son apreciablemente más costosos y a menudo no son
fáciles de elaborar.
Un diagrama típico de esfuerzo-deformación para un
acero frágil; Tal material muestra muy poca deformación permanente al
fracturarse. Desgraciadamente, la baja ductibilidad o fragilidad es una
propiedad asociada comúnmente con las altas resistencias de los aceros (aunque
no necesariamente limitada a aceros de alta resistencia). Es de desearse el
tener tanta resistencia, como ductibilidad en el acero, pero el diseñador habrá
de decidir entre estos dos extremos o por un término medio conveniente. Un
acero frágil puede fallar repentinamente por sobrecarga, o durante el montaje
es posible la falla debido a impacto por golpes durante el proceso de erección
o montaje.
En las estructuras de acero diseñadas en el pasado,
y en la mayoría de las que actualmente se diseñan, se han usado y usan los
llamados métodos de diseño elástico. El diseñador estima la "carga de
trabajo", o cargas que la estructura posiblemente deba soportar, y
dimensiona los miembros, sobre la base de ciertos esfuerzos permisibles. Estos
esfuerzos permisibles son usualmente una fracción del esfuerzo en el límite de
fluencia del acero. Aunque el término "diseño elástico" es utilizado
comúnmente para describir este procedimiento, los términos diseño por esfuerzo
permisible o diseño por esfuerzo de trabajo son en definitiva más apropiados.
Muchas de las estipulaciones de las especificaciones para este método se basan
realmente en el comportamiento plástico o en la capacidad última, más que en el
comportamiento elástico.
La ductibilidad del acero ha sido usada como una
reserva de resistencia, y la utilización de este hecho constituye la base de la
teoría conocida como el diseño plástico. En este método las cargas de trabajo
se estiman y multiplican por ciertos factores y los miembros se diseñan
basándose en las resistencias a la falla o al colapso. Se usan también otros nombres
para este método como son: diseño al límite o diseño a la falta o a la ruptura.
Aunque sólo unos cuantos centenares de estructuras se han diseñado en el mundo
por los métodos del diseño plástico, los profesionales se están moviendo
decididamente en ese sentido. Esta tendencia se refleja particularmente en las
últimas especificaciones de la AISC.
El ingeniero diseñador está bien enterado de que la
mayor porción de la curva esfuerzo-deformación queda más allá del límite
elástico del acero. Además, las pruebas realizadas durante años, han puesto en
claro que los aceros dúctiles pueden resistir esfuerzos apreciablemente mayores
que los correspondientes a su límite de fluencia, y que en casos de
sobrecargas, las estructuras hiperestáticas tienen la propiedad, feliz de
redistribuir las cargas debido a la ductilidad del acero. Teniendo en cuenta
esta información, se han hecho recientemente muchas proposiciones de diseño
plástico. Es indudable que en algunos tipos de estructuras, el diseño por
plasticidad conduce a la utilización más económica del acero, que la que se
logra con el diseño por elasticidad.
El acero estructural puede laminarse económicamente
en una variedad de formas y tamaños sin un cambio apreciable de sus propiedades
físicas. Normalmente los miembros más ventajosos son aquellos que tienen
grandes módulos de sección en proporción con sus áreas de sus secciones
transversales. Las formas I, T, y canal, tan comúnmente usadas pertenecen a
esta clase.
Los perfiles de acero se identifican por la forma
de su sección transversal, como ejemplos están los ángulos, tes., zetas, y
placas. Es necesario por tanto establecer una clara distinción entre las vigas
estándar americanas (vigas I ) y las vigas de patín ancho (vigas W), ya que
ambas tienen sección en I. El lado interno de los patines de una viga W, puede
ser paralelo al lado externo, o casi paralelo, con una pendiente máxima de
1:20, en la superficie interior dependiendo del fabricante.
ACEROS ALEADOS
Estos aceros están compuestos por una proporción
determinada de vanadio, molibdeno y otros elementos; además de cantidades
mayores de manganeso, silicio y cobre que los aceros al carbono. Estos aceros
se emplean para fabricar engranajes, ejes, cuchillos, etc.
Aceros De Gran Resistencia
A este grupo de aceros de gran resistencia
pertenecen una serie de aceros aleados, que se usan para la construcción de
piezas de máquinas.
Aceros que pertenecen a
este grupo.
En general, los aceros de este grupo tienen de 0,25
a 0,45 % de carbono, y como elementos de aleación se usan, principalmente, el
cromo, el níquel y el molibdeno. En la actualidad se fabrican diversos tipos de
aceros al níquel, al cromo-níquel, cromo-molibdeno, manganeso-molibdeno,
cromo-níquel-molibdeno, etc. La suma de los elementos de aleación no suele pasar
del 5 %. El uso de los aceros de gran resistencia se inició en los primeros
años de nuestro siglo. En cambio, desde los años de la segunda guerra, se ha
marcado una tendencia a emplear esos aceros ricos y clásicos sólo para los
casos de mucha responsabilidad, y a emplear, en cambio, para la mayoría de las
aplicaciones aceros de triple aleación y bajo contenido en elemento de
aleación.
Aceros De Sedimentación
Reciben el nombre de aceros de cementación, un
grupo de aceros de bajo contenido en carbono (variable generalmente de 0,50 a
0,25 %), que se utilizan para la fabricación de ciertas piezas de máquinas y
motores al choque.
Principales Clases De
Aceros De Cementación
Excepcionalmente cuando no interesa conseguir una
gran tenacidad en el núcleo central se llegan a emplear, a veces, aceros hasta
de 0,40 % de carbono. Los aceros de cementación, de acuerdo con los elementos
de aleación que contienen, se pueden clasificar en tres grupos:
·
1. Aceros
al carbono
·
2. Aceros
de media aleación
·
3. Aceros
de alta aleación.
Aceros de Nitruración.
El contenido en carbono de los aceros de
nitruración 0,250 y 0,50 %. En la nitruración las mayores durezas se consiguen
con los aceros que contienen 1% de aluminio aproximadamente. Con los aceros de
3 % de cromo. Para realizarse la nitruración a temperaturas muy próximas a los
500° los aceros de nitruración contienen porcentajes de molibdeno, variables de
0,20 a 1%.
Características Mecánicas.
La resistencia del núcleo central de las piezas
nitruradas suelen variar de 75 a 130 kg/mm2, en algunas ocasiones hasta 150
kg/mm2. La dureza superficial es variable y depende de la composición. Las
piezas nitruradas tienen una excepcinal resistencia a la fatiga con poca
sensibilidad a la influencia de las entallas. Esto es debido a ciertos
esfuerzos de comprensión que se desarrollan en la superficie de las piezas,
como consecuencia del aumento de volumen que experimentan después de la
nitruración.
Ventajas de la Nitruración.
Las propiedades más notables de las piezas
nitruradas son:
Gran dureza.-
Después de la nitruración,
se consiguen durezas elevadísimas que no se obtienen por otros procedimientos
de endurecimiento superficial. Cuando interesa que la capa dura sea de gran
tenacidad, conviene utilizar aceros, que después de la nitruración queden con
durezas relativamente bajas (650 a 850 Vickers), porque las capas nitruradas de
máxima dureza tienen menor tenacidad.
Gran resistencia a la
corrosión.-
Los aceros,
después de la nitruración, resisten mejor la acción corrosiva del agua dulce,
agua salada, vapor o atmósfera húmeda que los aceros ordinarios, y por eso,
este proceso es muy utilizado para las piezas que deben sufrir la acción de
ciertos agentes corrosivos.
Ausencia de deformaciones.-
Como en el tratamiento de
nitruración no es necesario enfriar las piezas rápidamente desde alta
temperatura en agua o aceite, se evitan los graves inconvenientes de los
enfriamientos rápidos, que pueden dar origen a deformaciones importantes.
Endurecimientos exclusivos de determinadas superficies de las piezas. Durante
la nitruración se pueden proteger perfectamente las superficies de las piezas
que no se desea endurecer.
Retención de las durezas a
temperaturas elevadas.-
Las capas nitruradas conservan gran dureza hasta
los 500°, especialmente cuando la duración del calentamiento no es muy
prolongada. Las diversas nitruradas mantienen a temperaturas elevadas durezas
superiores a las que se consiguen con otros procedimientos de endurecimiento de
la capa periférica, como la cementación, temple superficial, etc., ya que la
capa dura obtenida por estos métodos, pierde dureza muy rápidamente a partir de
los 220°.
PROPIEDADES MECÁNICAS DEL
ACERO
·
Resistencia al desgaste.
Es la resistencia que ofrece un material a
dejarse erosionar cuando está en contacto de fricción con otro material.
·
Tenacidad.
Es la
capacidad que tiene un material de absorber energía sin producir Fisuras
(resistencia al impacto).
·
Maquinabilidad.
Es la
facilidad que posee un material de permitir el proceso de mecanizado por
arranque de viruta.
·
Dureza. Es la
resistencia que ofrece un acero para dejarse penetrar. Se mide en unidades
BRINELL (HB) ó unidades ROCKWEL C (HRC), mediante test del mismo nombre.
APLICACIONES DEL ACERO EN
CONCRETO
Además de los aspectos funcionales y económicos
especiales del concreto como material de construcción de puentes, ciertas
propiedades mecánicas y físicas son importantes con respecto a la aplicación y
el comportamiento del concreto. Las varillas para el refuerzo de estructuras de
concreto reforzado, se fabrican en forma tal de cumplir con los requisitos de
las siguientes especificaciones ASTM: A-615 "Varillas de Acero de Lingotes
Corrugadas y Lisas Para Concreto Reforzado", A-616 "Varillas de Acero
de Riel Relaminado Corrugadas y Lisas para Refuerzo de Concreto", o la
A-617 "Varillas de Acero de Eje Corrugado y Lisas Para concreto
Reforzado". Las varillas se pueden conseguir en diámetros nominales que
van desde 3/8 de pulg. hasta 1 3/8 de pulg., con incrementos de 1/8 de pulg., y
también en dos tamaños más grandes de más a menos 1 ¾ y 2 ¼ de pulg. Es
importante que entre el acero de refuerzo exista adherencia suficientemente
resistente entre los dos materiales. Esta adherencia proviene de la rugosidad
natural de las corrugaciones poco espaciadas en la superficie de las varillas.
Las varillas se pueden conseguir de diferentes resistencias. Los grados 40, 50
y 60 tienen resistencias mínimas especificadas para la fluencia de 276, 345 y
414 N/mm2 respectivamente. La tendencia actual es hacia el uso de varillas del
grado 60.
La corrosión del acero es un fenómeno natural que
afecta a éste de una mayor o menor manera, en función de las condiciones de
contorno en las que se encuentra. La existencia de humedad y de iones favorece
los procesos de corrosión, por lo que éstos suelen ser más frecuentes e
importantes en ambientes marinos.
Otro tipo de corrosión es la generalizada, en la
que las barras de acero quedan recubiertas de una capa de óxido. Por lo general
esta capa no suele ser perjudicial para la adherencia del acero con el
hormigón. Lo único que hay que comprobar es que no se haya producido una
pérdida de sección, para lo cual el procedimiento prescrito es cepillar
enérgicamente con un cepillo metálico, de forma que se desprenda todo el óxido
no adherente, y después comprobar que el peso de la barra no ha experimentado
una merma superior al 1 %.
A medida que avanza la corrosión se produce una
disminución de la sección resistente de las armaduras, empeorando las
características del acero de las siguientes formas:
·
Aumenta la
deformación de las vigas bajo cargas de servicio y disminuye su capacidad
resistente última.
·
Modifica el
tipo de rotura, por ejemplo muchas vigas que deberían romper a momento flector
rompen a cortante.
Así mismo, si el acero está embebido en el hormigón
su corrosión produce la aparición de óxidos cuyo volumen es mucho mayor que el
material de partida. Este aumento de volumen produce la aparición de presiones
en el interior del hormigón que, en casos extremos, pueden hacer saltar la capa
de recubrimiento, y en casos más normales producir la aparición de fisuras que
faciliten la entrada de agentes agresivos y, por lo tanto, aceleran los
procesos de oxidación en curso.
¿En qué norma UNE están
recogidos los aceros dúctiles?
Los aceros dúctiles, que
son los clasificados con las letras "SD" (B 400 SD y B 500 SD) vienen
definidos en la norma UNE 36065.
¿Qué ventajas tienen los
aceros dúctiles?
La ductilidad es una característica que aumenta las
condiciones de seguridad de la estructura en situaciones de carácter
extraordinario o de difícil cuantificación, como por ejemplo, las sísmicas, los
impactos o las explosiones. Esto es así debido a la gran capacidad del acero
dúctil para absorber grandes cantidades de energía mediante su amplia
deformación.
También juega un papel fundamental en procesos de
redistribución de esfuerzos y en el cálculo plástico, como en las estructuras
hiperestáticas.
En todas las estructuras los aceros dúctiles tienen
la gran ventaja de, que además de ser aceros soldables, en la rama plástica
tienen grandes deformaciones para pequeños aumentos de la carga, lo que les
proporciona una capacidad de aviso muy valiosa.
¿Qué elementos tiene una
barra de acero en su superficie?
Las barras de acero tienen en su superficie las
corrugas y las aletas.
Las corrugas son estrías, resaltos o nervaduras
distribuidas de manera discontinua a lo largo de la longitud de la barra. Son
de forma parabólica tanto en sección transversal como longitudinal, presentan
una cierta inclinación respecto al eje longitudinal de la barra y vienen
caracterizadas por los siguientes parámetros: su altura máxima (a), inclinación
(b) y separación entre ellas (c).
Las aletas son dos elementos rectilíneos,
diametralmente opuestos, de sección cuadrada que dividen longitudinalmente la
barra en 2 sectores. Están caracterizados por la altura de la aleta (a1).
No siempre existen aletas en las barras corrugadas,
como es el caso de las secciones laminadas con cuatro caras, en lugar de dos.
La parte de la barra que no es ni corrugas ni
aletas se denomina núcleo, y es sobre el núcleo donde se realizará la
comprobación del diámetro.
¿Cómo se designan los
aceros para hormigón?
Los aceros utilizados como armaduras para hormigón
tienen las siguientes nomenclaturas:
El símbolo del diámetro (Ø) seguido del valor
nominal de éste, en mm, la letra "B" que indica que es un acero para
hormigón, seguida del valor del límite elástico convencional (carga a la que se
produce una deformación permanente porcentual del 0,2%), en N/mm2 , seguido de
la letra "S", si se trata de acero soldable, ó de las letras
"SD" si además de soldable el acero tiene características especiales
de ductilidad.
Ejemplo: Ø 16 B 500 SD
¿Qué clases de acero
existen para armar el hormigón?
La Instrucción EHE contempla, en su Artículo 31
"Armaduras Pasivas" los tres tipos de acero que pueden utilizarse en
el armado del hormigón:
·
Aceros
estirados en frío, B 500 T, utilizados como alambres en mallas electrosoldadas.
Se trata de aceros no dúctiles.
·
Aceros
soldables, B 400 S y B 500 S, de ductilidad normal.
·
Aceros
soldables con características especiales de ductilidad (B 400 SD y B 500 SD),
especialmente indicados para diseño sísmico.
¿Cómo se identifica a
simple vista el tipo de acero?
El tipo de acero puede diferenciarse a simple vista
observando la inclinación y la separación de las corrugas.
Los aceros soldables, tipo S; presentan
disposiciones de corrugas diferentes en cada uno de los dos sectores en los que
se divide la barra. Además, para distinguir dentro de ellos su calidad (400 ó
500), se juega con el número de familias de corrugas existentes en cada cara.
A continuación se describen las características de
los distintos aceros del tipo S.
En el acero B 400 S existe una única familia de
corrugas en cada cara. La inclinación de las corrugas en ambas familias es
similar, mientras que la separación entre ellas es diferente.
En el acero B 500 S existe una clara diferencia
entre las dos caras de la barra. Una de ellas tiene una única familia de
corrugas, mientras que en la otra presenta dos familias, que tienen distinta
inclinación pero igual separación.
La geometría de los aceros con características
especiales de ductilidad, tipo SD, se caracteriza porque la disposición de las
corrugas es igual en los dos sectores en los que se divide la barra.
Además, la diferenciación entre clases resistentes
(400 ó 500) es muy sencilla, y se reduce a identificar si en cada cara existe
una única familia de corrugas (calidad 400), o dos familias de corrugas
(calidad 500).
En el acero B 400 SD, en ambos sectores de la barra
existe una familia de corrugas que presentan la misma separación e inclinación.
En el acero B 500 SD, en ambos sectores de la barra
existen dos familias de corrugas con la misma separación pero con diferente
inclinación.
¿Cómo se identifica el país
de origen y el fabricante?
La identificación del país de origen y del
fabricante se realiza a través de un sencillo código numérico formado por dos
cifras. La primera identifica al país (por ejemplo, España y Portugal se
identifican mediante la cifra 7), mientras que la segunda identifica al
fabricante.
La forma de incluir estas cifras en las barras
corrugadas es muy sencilla. Consiste en localizar en uno de los sectores de la
barra una serie de corrugas regruesadas que destacan sobre las demás.
El sentido de lectura es siempres de izquierda a
derecha. Para saber dónde comienza la corruga es preciso buscar el "inicio
de lectura, deben contarse el número de corrugas existentes, lo que nos dará la
cifra correspondiente al el país de origen. A continuación, deberemos seguir
contando corrugas obteniendo así la cifra correspondiente al fabricante.
Para la identificación del fabricante puede darse
el caso de que entre dos corrugas gruesas exista una o dos finas, continuando
con un número de finas indefinido hasta otra gruesa, en este caso las finas
(sólo 1 ó 2) entre las dos gruesas contarán como diez cada una sumando como
unidades el resto de las finas, hasta acabar la lectura en una gruesa.
ENSAYOS MECANICOS DE ACERO
Los ensayos mecánicos caracterizan la capacidad de
los materiales de reaccionar a la deformación o rotura por solicitación de
acciones externas. Caracterizaremos 3 tipos:
·
estáticos
(aplicación lenta y gradual de la carga)
·
dinámicos
(aplicación por golpe)
·
periódica
(variable en magnitud y dirección
1. Ensayos de
tracción (estáticos)
Aceros ordinarios
Mide la tenacidad y plasticidad del material.
Consiste en el estiramiento de una probeta normalizado mediante carga axil y
conjuntamente se va dibujando una gráfica llamada diagrama de tensiones. Se
destacan en el ensayo para barra lisa y acero ordinario tres etapas definidas:
·
límite de
proporcionalidad (comportamiento elástico)
·
límite de
fluencia (cedencia)
·
límite de
tenacidad (estricción y rotura).
La plasticidad del material se manifiesta en el
alargamiento relativo (d) y en la estricción del área (e).
Alargamiento de rotura dr = L1 - L0 / L0 x 100
Estricción de rotura er = F0 - F1 / F0 x 100
L0 y F0 = dimensiones iniciales.
L1 y F1 = dimensiones después de la rotura.
La relación f = P / F0 nos indica los valores tensionales en los puntos relevantes del diagrama.
La capacidad del material de oponerse a su deformación por acciones externas se denomina módulo de elasticidad y se representa por la letra E. Su valor es el del ángulo (a) que forma la gráfica en su período elástico con el eje de los alargamientos y se expresa en kg/cm2. Cada material tiene un valor determinado de E que lo caracteriza.
Alargamiento de rotura dr = L1 - L0 / L0 x 100
Estricción de rotura er = F0 - F1 / F0 x 100
L0 y F0 = dimensiones iniciales.
L1 y F1 = dimensiones después de la rotura.
La relación f = P / F0 nos indica los valores tensionales en los puntos relevantes del diagrama.
La capacidad del material de oponerse a su deformación por acciones externas se denomina módulo de elasticidad y se representa por la letra E. Su valor es el del ángulo (a) que forma la gráfica en su período elástico con el eje de los alargamientos y se expresa en kg/cm2. Cada material tiene un valor determinado de E que lo caracteriza.
Aceros de alta resistencia
Consiste en procedimientos destinados a la
elevación del límite elástico.
a) Aceros de
dureza natural
En este tipo de acero se observa aún cierta
distorsión de la gráfica en la etapa última del período lineal con la aparición
del escalón de plasticidad en el cual se ubica el límite elástico aparente
(fy). La tensión de rotura (fs) se produce con una menor deformación que la
exhibida en los aceros ordinarios como también sucede en la rotura física del
material ( tensión última).
b) Aceros endurecidos
en frío
En este ensayo también se observa la disminución de
las propiedades de alargamiento como asimismo la pérdida del escalón de
plasticidad, lo cual lleva al diagrama a presentar un recorrido curvilíneo. El
límite elástico aparente en este caso pasa a ser un límite elástico
convencional (fy) obtenido a partir del punto de deformación remanente propio
del proceso de producción.
2. Ensayo de dureza
(estatico):
Este ensayo mide la capacidad del material de
resistir la penetración.
DUREZA BRINELL
Consiste en la huella (d) que produce sobre la
probeta de ensayo una esfera de acero templado de diámetro normalizado (D)
accionada por prensa hidráulica.
El número de dureza (N) está dado por la relación entre la huella producida y el diámetro original de la esfera. N = d / D
El número de dureza (N) está dado por la relación entre la huella producida y el diámetro original de la esfera. N = d / D
DUREZA ROCKWELL
Consiste en la penetración de una esfera (material
blando) o cono de diamante (material duro) a través de una carga en dos etapas
sucesivas.
P = carga preliminar P1 = carga fundamental
El número de dureza corresponde a la diferencia entre la profundidad de penetración de ambas. N = P1 - P
P = carga preliminar P1 = carga fundamental
El número de dureza corresponde a la diferencia entre la profundidad de penetración de ambas. N = P1 - P
DUREZA VICKERS
Se usa para medir profundidad de recubrimientos de
capas exteriores o piezas de sección pequeña. Los valores son de lectura
microscópica, no siendo aplicables en materiales de construcción.
3. Ensayo de resiliencia
(dinamico)
Péndulo de Charpy.
1. Bancada
2. Probeta
3. Péndulo
4. Escala
Permite conocer la resistencia del material a la rotura por impacto. Se realiza a través del Péndulo de Charpy, que mide la energía gastada en el ensayo. La masa Q cae desde la altura H, rompiendo la probeta en su entalladura (F) y siguiendo su ascenso hasta una altura (h).
El valor de la energía gastada A = Q.H - Q.h ----- A = Q. (H - h)
La risilencia Rk = Q. ( H - h ) / F = kgm / cm2 ----- Rk = A / f
En materiales frágiles el valor Rk es pequeño.
En materiales deformables el valor Rk es alto.
4. Ensayo de fatiga
(periodico):
Las acciones actuantes sobre el material adoptan
cíclicamente valores extremos, lo que va determinando en el período elástico
acumulación de deformaciones residuales por aplicación de cargas previa recuperación
elástica.
Este fenómeno denominado Histéresis produce la rotura de la pieza por fatiga (acumulación de esfuerzo de la misma). Se ejecuta mediante rotación de la probeta ( 5.000.000 de ciclos).
Este fenómeno denominado Histéresis produce la rotura de la pieza por fatiga (acumulación de esfuerzo de la misma). Se ejecuta mediante rotación de la probeta ( 5.000.000 de ciclos).
5. Ensayo de fluencia
:
Consiste en la deformación gradual de tamaño y
forma con esfuerzos generalmente bajos. Se realiza por calentamiento de la
probeta y aplicando cargas.
EL PROCESO SIDERÚRGICO
Se denomina proceso siderúrgico, a la serie
de pasos consecutivos que nos transformarán una materia prima como el mineral
del hierro, y el carbón de coque, hasta un producto final como el acero.
El hierro con el carbón, se quema en los altos hornos, para que se cree el acero:
Un alto horno, es lo que se muestra a continuación.
El hierro con el carbón, se quema en los altos hornos, para que se cree el acero:
Un alto horno, es lo que se muestra a continuación.
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