monografia de acero
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UNIVERSIDAD PERUANA UNIÓN
FACULTAD DE INGENIERÍA
EAP Ingeniería civil
MONOGRAFÍA
El Acero
Monografía presentada en cumplimiento parcial de La asignatura Tecnología de materiales
Autor
Alumno: Yojan Huamanttupa Mar
Profesor:
Ing. Isai Ticona
Juliaca, Agosto de 2013
Contenido
1. Introducción...................................................................................................................2
2. Marco teórico.................................................................................................................3
2.1 historia.....................................................................................................................3
2.2. Hierro......................................................................................................................5
2.2.1. Obtención del hierro.........................................................................................6
2.2.2. Proceso de producción.....................................................................................6
2.2.3. Propiedades......................................................................................................6
2.2.4. Usos..................................................................................................................7
2.3. Acero.......................................................................................................................7
.3.1. Componentes......................................................................................................8
2.3.2. Otros elementos en el acero.............................................................................9
2.4. Clasificación.........................................................................................................11
2.4.1. Según el modo de trabajarlo...........................................................................11
2.4.2. Según la composición y la estructura.............................................................11
2.4.3. Según los usos................................................................................................12
2.5. Características mecánicas y tecnológicas del acero..............................................13
2.6. Estructura del acero..............................................................................................15
2.7. Tratamiento térmico del acero..............................................................................16
3. Ventajas y desventajas del acero como material de construcción...............................17
3.1. Ventajas del acero como material estructural.......................................................17
3.2. Otras ventajas importantes del acero estructural son:...........................................17
3.2. Desventajas del acero como material estructural..................................................18
4. Caracteristicas de los aceros........................................................................................18
4.1. Aceros de baja aleación y alta resistencia.............................................................20
4.2. Aceros aleados térmicamente tratados para la construcción................................20
5. Aplicaciones del acero en concreto.............................................................................21
6. Conclusiones................................................................................................................22
7. Referencias..................................................................................................................23
1. Introducción
2
Durante la historia el hombre ha tratado de mejorar sus materias primas para sus construcciones, añadiendo materiales orgánicos como inorgánicos, para obtener así los resultados ideales para sus diversas obras.
Dado el caso de que los materiales más usados en la construcción no se encuentran en la naturaleza en estado puro, por lo que para su empleo hay que someterlos a una serie de operaciones metalúrgicas cuyo fin es separar el metal de las impurezas u otros minerales que lo acompañen. Pero esto no basta para alcanzar las condiciones óptimas, entonces para que los metales tengan buenos resultados, se someten a ciertos tratamientos con el fin de hacer una aleación que reúna una serie de propiedades que los hagan aptos para adoptar sus formas futuras y ser capaces de soportar los esfuerzos a los que van a estar sometidos.
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 más 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.
2. MARCO TEÓRICO
3
2.1 Historia
Es imposible determinar a ciencia cierta dónde y cómo el hombre descubrió el
hierro, pero es cierto que su historia está estrechamente ligada con el desarrollo de la
cultura y la civilización.
Los metales inician su historia cuando el hombre se siente atraído por su brillo y se da
cuenta de que golpeándolos puede darles forma y fabricar así utensilios tan necesarios
para su supervivencia.
La humanidad se sucede en Edades, a las que se ha dado nombres de metales, y cuando
se cierran las Edades del Cobre y Bronce, a las que se atribuye una duración de 500 a
2000 años, comienza la Edad del Hierro.
Con la excepción del aluminio, el hierro se encuentra en la naturaleza en cantidades
mayores que cualquier otro metal; se explota con métodos relativamente sencillos, y se
puede trabajar y transformar tanto como se quiera. La razón del retraso en la aparición
del hierro respecto al bronce hay que buscarla en el elevado punto de fusión del hierro
puro, lo que hacía prácticamente imposible que una vez tratados sus minerales se
pudiese ofrecer en forma líquida, separado de la escoria.
Las primeras producciones se obtuvieron seguramente rodeando al mineral totalmente
con carbón de leña con el que no era posible alcanzar la temperatura suficiente para
fundir el metal, obteniéndose en su lugar una masa esponjosa y pastosa, mezcla de
hierro y escoria, que había que martillear repetidamente al rojo vivo para eliminar la
escoria y las impurezas.
Este martilleo producía dos efectos, por un lado conseguía obtener un hierro puro al
eliminar las escorias e impurezas, endureciéndolo por forja al mismo tiempo. Se
obtenían así barras de hierro forjado resistente y maleable, que no eran otra cosa que un
tipo muy primitivo de acero.
Con el paso del tiempo, se fue comprobando que la obtención accidental del hierro
colado no era una desgracia, sino que por el contrario se trataba de una materia prima
mejor para obtener posteriormente el acero, con todas las ventajas técnicas y
económicas que implica el proceso.
En 1855 se produce un hecho trascendental en la producción y el futuro del acero: el
invento del convertidor ideado por Henry Bessemer, que supuso el paso revolucionario
4
de la obtención del acero a partir del hierro producido en el alto horno. Este invento
trascendental se completa por Thomas en 1873, al conseguir convertir el hierro colado,
de alto contenido en fósforo, en acero de alta calidad mediante un convertidor con
recubrimiento básico.
A partir de entonces las innovaciones en la producción del acero se han ido sucediendo
hasta nuestros días, gracias a la participación de figuras como las de Martín, Siemens,
Héroult, los técnicos de Linz y Donawitz y tantos otros.
2.1.1. Propiedades de los materiales metálicos
Las propiedades principales que un metal debe cumplir para ser utilizado
indispensablemente en una construcción deben ser las siguientes.
Fusibilidad._ Es la facilidad de poder dar forma a los metales, fundiéndolos y
colocándolos en moldes.
Forjabilidad._ Es la capacidad para poder soportar las variaciones de formas, en estado
sólido caliente, por la acción de martillos, laminadores o prensas.
Maleabilidad._ Propiedad para permitir modificar su forma a temperatura ambiente en
láminas, mediante la acción de martillado y estirado.
Ductilidad._ Es la capacidad de poderse alargar longitudinalmente.
Tenacidad._ Resistencia a la ruptura al estar sometido a esfuerzos de tensión.
Facilidad de corte._ Capacidad de poder separarse en trozos regulares con herramientas
cortantes.
Soldabilidad._ Propiedad de poder unirse hasta formar un solo cuerpo.
Oxidabilidad._ Al estar en presencia de oxígeno, se oxidan formando una capa de óxido.
2.2. HIERRO
5
El hierro era conocido y utilizado para los propósitos ornamentales y para armas
en edades prehistóricas, el espécimen más temprano todavía existente es un grupo de
cuentas férricas oxidadas encontradas en Egipto, en el año 4000 A.C. El termino
arqueológico, edad férrica, solo aplicaba propiamente al periodo cuando se usó el hierro
extensivamente para los propósitos utilitarios, como para herramientas, así como para la
ornamentación.
Es un metal blando, dúctil y maleable cuyo peso específico es de 7.86 y su punto de
fusión es de 1500 °C, antes de fundirse se reblandece y se puede trabajar. Todos los
productos obtenidos con el hierro y sus aleaciones se denominan productos siderúrgicos.
Para la obtención del hierro son necesarios minerales ferrosos y otras materias como
fundentes y carbón. Los minerales de hierro más importantes son: magnetita, oligisto,
limonita y siderita.
Como ya se he venido diciendo, el hierro es el elemento esencial para la producción del
acero, el cual está compuesto en un 78% como mínimo de Fe, el hierro posee una gran
cantidad de propiedades favorables para la construcción, y por ello después del
concreto, es llamado como el esqueleto de las estructuras.
2.2.1. OBTENCIÓN DEL HIERRO
Puede obtenerse hierro en estado sólido por el procedimiento de forjas carta
lanas, que solo es aplicable en minerales muy ricos.
En la actualidad la obtención del hierro se efectúa en altos hornos, el producto obtenido
es el arrabio o fundición, escorias y gases. Esta materia no es utilizable, y es necesaria
una nueva fusión para obtener el hierro dulce y la fundición propiamente dicha. Para la
obtención del acero se emplean varios sistemas: Bessemer, siemens y tomas que tienden
a volverlo a fundir, eliminando parte del carbono y añadiendo otras sustancias.
2.2.2. PROCESO DE PRODUCCIÓN
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Este se produce generalmente en lingotes, los materiales básicos usados en la
fabricación son: el coque y el agua, el coque se quema como un combustible para
calentar el horno a altas temperaturas, para darle fluidez y pureza, apto para el moldeo,
para darle la forma de lingote, la cual es la forma más conveniente para almacenar y
transportar, pero estos sufren un cambio brusco de temperatura al añadirle agua, para
darle cierta condición.
2.2.3. PROPIEDADES
El hierro puro tiene una dureza que va de 4 a 5 en la escala Mohs, es suave
maleable y dúctil. Este es magnetizado fácilmente a temperaturas ordinarias, es difícil
magnetizar a altas temperaturas (790°C), sometido a estas este pierde su propiedad
magnética.
El metal existe en tres formas diferentes:
Ordinaria o Alfa-hierro
Gama-hierro
Delta-hierro
Las propiedades físicas diferentes de todas las formas alotrópicas y la diferencia en
la cantidad de carbono subida por cada una de las formas tocan en una parte importante
en la formación, endurecido, y templado de acero.
Químicamente, el hierro es un metal activo. Combina los halógenos (flúor, cloro,
bromo...etc.), azufre, fósforo, carbono, y sicono. Este reacciona con algunos ácidos
perdiendo sus características, o en algunos casos llega a la corrección masiva.
Generalmente al estar en presencia de aire húmedo, se corroe, formando una capa de
óxido rojiza-castaño (oxido férrico escamoso), la cual disminuye su resistencia y
además estéticamente es desagradable.
2.2.4. USOS
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El hierro comercial invariablemente contiene cantidades pequeñas de carbono y
otras impurezas que alteran sus propiedades físicas, que son mejoradas
considerablemente por la suma extensa de carbono y otros elementos. La gran mayoría
del hierro se utiliza en formas procesadas, como hierro forjado, hierro del lanzamiento y
acero. El hierro puro comercialmente se usa para la producción de metal en plancha,
galvanizado y de electroimanes, Principalmente se usa en la fabricación del acero.
2.3. ACERO
Son aquellos productos ferrosos cuyo tanto por ciento de carbono está
comprendido entre 0.05% y 1.7%, el acero endurece por el temple y una vez templado,
tiene la propiedad de que si se calienta de nuevo y se enfría lentamente, disminuye su
dureza. El acero funde entre los 1400 y 1500°C, y se puede moldear con más facilidad
que el hierro.
Los Aceros se pueden clasificar según se obtengan en estado sólido: ensoldados, batidos
o forjados, o en estado líquido, en hierros o aceros de fusión y homogéneos. También se
clasifican según su composición química, en aceros originarios, al carbono y especiales.
La proporción de carbono influye sobre las características del metal. Se distinguen dos
grandes familias de acero: los aceros aleados y los no aleados. Existe una aleación
cuando los elementos químicos distintos al carbono se adicionan al hierro según una
dosificación mínima variable para cada uno de ellos.
Por ejemplo el 0.5% para el silicio, el 0.08% para el molibdeno, el 10.5% para el cromo.
De esta manera una aleación del 17% de cromo más 8% níquel constituye un acero
inoxidable. Y por eso no hay un acero sino múltiples aceros.
La diferencia fundamental entre ambos materiales es que los aceros son, por su
ductilidad, fácilmente deformables en caliente utilizando forjado, laminación o
extorsión, mientras que las fundiciones son frágiles y se fabrican generalmente por
moldeo. Además de los componentes principales indicados, los aceros incorporan otros
elementos químicos. Algunos son perjudiciales (Impurezas) y provienen de la chatarra,
el mineral o el combustible empleado en el proceso de fabricación; es el caso del azufre
y el fósforo. Otros se añaden intencionalmente para la mejora de alguna de las
8
características del acero (Aleantes); pueden utilizarse para incrementar la resistencia, la
ductilidad, la dureza. etc., o para facilitar algún proceso de fabricación como puede ser
el mecanizado. Elementos habituales para estos fines son el níquel, el cromo, el
molibdeno y otros. El acero es actualmente la aleación más importante, empleándose de
forma intensiva en numerosas aplicaciones, aunque su utilización se ve condicionada en
determinadas circunstancias por las ventajas técnicas o económicas específicas que
ofrecen otros materiales, el aluminio cuando se requiere mayor ligereza y resistencia a
la corrosión, el hormigón armado por su mayor resistencia al fuego, los materiales
cerámicos en aplicaciones a altas temperaturas. Aun así siguen empleándose
extensamente ya que existen abundantes yacimientos de minerales de hierros
suficientemente ricos, puros y fáciles de explotar.
.3.1. Componentes
Los dos componentes principales del acero se encuentran en abundancia en la
naturaleza, lo que favorece su producción a gran escala. Esta variedad y
disponibilidad14 lo hace apto para numerosos usos como la construcción de
maquinaria, herramientas, edificios y obras públicas, contribuyendo al desarrollo
tecnológico de las sociedades industrializadas.11 A pesar de su densidad (7850 kg/m³ de
densidad en comparación a los 2700 kg/m³ del aluminio, por ejemplo) el acero es
utilizado en todos los sectores de la industria, incluso en el aeronáutico, ya que las
piezas con mayores solicitaciones (ya sea al Impacto o a la fatiga) solo pueden aguantar
con un material dúctil y tenaz es el acero, además de la ventaja de su relativo bajo costo.
2.3.2. Otros elementos en el acero
a). Elementos Aleantes del acero y mejoras obtenidas con la aleación
Las clasificaciones normalizadas de aceros como la AISI, ASTM y UNS, establecen valores mínimos o máximos para cada tipo de elemento. Estos elementos se agregan para obtener unas características determinadas como templabilidad, resistencia mecánica, dureza, tenacidad, resistencia al desgaste, soldabilidad o Maquinabilidad. A continuación se listan algunos de los efectos de los elementos Aleantes en el acero:
Aluminio: se usa en algunos aceros de nitruración al Cr-Al-Mo de alta dureza en
concentraciones cercanas al 1 % y en porcentajes inferiores al 0,008 % como
desoxidante en aceros de alta aleación.
9
Boro: en muy pequeñas cantidades (del 0,001 al 0,006 %) aumenta la templabilidad
sin reducir la Maquinabilidad, pues se combina con el carbono para formar carburos
proporcionando un revestimiento duro. Es usado en aceros de baja aleación en
aplicaciones como cuchillas de arado y alambres de alta ductilidad y dureza
superficial. Utilizado también como trampa de nitrógeno, especialmente en aceros
para trefilación, para obtener valores de N menores a 80 ppm.
Fig.01 Acería. Nótese la tonalidad del vertido.
Cobalto: muy endurecedor. Disminuye la templabilidad. Mejora la resistencia y la
dureza en caliente. Es un elemento poco habitual en los aceros. Aumenta las
propiedades magnéticas de los aceros. Se usa en los aceros rápidos para
herramientas y en aceros refractarios.
Cromo: Forma carburos muy duros y comunica al acero mayor dureza, resistencia y
tenacidad a cualquier temperatura. Solo o aleado con otros elementos, mejora la
resistencia a la corrosión. Aumenta la profundidad de penetración del
endurecimiento por tratamiento termoquímico como la carburación o la nitruración.
Se usa enaceros inoxidables, aceros para herramientas y refractarios. También se
utiliza en revestimientos embellecedores o recubrimientos duros de gran resistencia
al desgaste, como émbolos, ejes, etc.
Molibdeno: es un elemento habitual del acero y aumenta mucho la profundidad de
endurecimiento de acero, así como su tenacidad. Los aceros inoxidables austeníticos
contienen molibdeno para mejorar la resistencia a la corrosión.
Nitrógeno: se agrega a algunos aceros para promover la formación de austenita.
Níquel: es un elemento gammageno permitiendo una estructura austenítica a
temperatura ambiente, que aumenta la tenacidad y resistencia al impacto. El níquel
10
se utiliza mucho para producir acero inoxidable, porque aumenta la resistencia a la
corrosión.
Plomo: el plomo no se combina con el acero, se encuentra en él en forma de
pequeñísimos glóbulos, como si estuviese emulsionado, lo que favorece la fácil
mecanización por arranque de viruta, (torneado, cepillado, taladrado, etc.) ya que el
plomo es un buen lubricante de corte, el porcentaje oscila entre 0,15 % y 0,30 %
debiendo limitarse el contenido de carbono a valores inferiores al 0,5 % debido a
que dificulta el templado y disminuye la tenacidad en caliente. Se añade a algunos
aceros para mejorar mucho la Maquinabilidad.
Silicio: aumenta moderadamente la templabilidad. Se usa como elemento
desoxidante. Aumenta la resistencia de los aceros bajos en carbono.
Titanio: se usa para estabilizar y desoxidar el acero, mantiene estables las
propiedades del acero a alta temperatura. Se utiliza su gran afinidad con el Carbono
para evitar la formación de carburo de hierro al soldar acero.
Wolframio: también conocido como tungsteno. Forma con el hierro carburos muy
complejos estables y durísimos, soportando bien altas temperaturas. En porcentajes
del 14 al 18 %, proporciona aceros rápidos con los que es posible triplicar la
velocidad de corte de los aceros al carbono para herramientas.
Vanadio: posee una enérgica acción desoxidante y forma carburos complejos con el
hierro, que proporcionan al acero una buena resistencia a la fatiga, tracción y poder
cortante en los aceros para herramientas.
2.4. Clasificación
Según el modo de fabricación
Acero eléctrico
Acero fundido.
Acero calmado.
Acero efervescente.
Acero fritado.
11
2.4.1. Según el modo de trabajarlo
Acero moldeado.
Acero laminado.
2.4.2. Según la composición y la estructura
Aceros ordinarios.
Aceros aleados o especiales.
Los aceros aleados o especiales contienen otros elementos, además de carbono, que
modifican sus propiedades. Éstos se clasifican según su influencia:
Elementos que aumentan la dureza: fósforo, níquel, cobre, aluminio.
En especial aquellos que conservan la dureza a elevadas
temperaturas: titanio, vanadio, molibdeno, wolframio, cromo,
manganeso y cobalto.
Elementos que limitan el crecimiento del tamaño de grano:
aluminio, titanio y vanadio.
Elementos que determinan en la templabilidad: aumentan la
templabilidad: manganeso, molibdeno, cromo, níquel y silicio.
Disminuye la templabilidad: el cobalto.
Elementos que modifican la resistencia a la corrosión u oxidación:
aumentan la resistencia a la oxidación: molibdeno y wolframio.
Favorece la resistencia a la corrosión: el cromo.
Elementos que modifican las temperaturas críticas de
transformación: Suben los puntos críticos: molibdeno, aluminio,
silicio, vanadio, wolframio. Disminuyen las temperaturas críticas:
cobre, níquel y manganeso. En el caso particular del cromo, se
elevan los puntos críticos cuando el acero es de alto porcentaje de
carbono pero los disminuye cuando el acero es de bajo contenido de
carbono.
2.4.3. Según los usos
Acero para imanes o magnético.
12
Acero auto templado.
Acero de construcción.
Acero de corte rápido.
Acero de decoletado.
Acero de corte.
Acero indeformable.
Acero inoxidable.
Acero de herramientas.
Acero para muelles.
Acero refractario.
Acero de rodamientos.
2.5. Características mecánicas y tecnológicas del acero
Fig.02 Representación de la inestabilidad bajo la acción de una fuerza ejercida sobre una viga
de acero
Aunque es difícil establecer las propiedades físicas y mecánicas del acero debido
a que estas varían con los ajustes en su composición y los diversos tratamientos
térmicos, químicos o mecánicos, con los que pueden conseguirse aceros con
combinaciones de características adecuadas para infinidad de aplicaciones, se pueden
citar algunas propiedades genéricas:
Su densidad media es de 7850 kg/m³.
En función de la temperatura el acero se puede contraer, dilatar o
fundir.
13
El punto de fusión del acero depende del tipo de aleación y los
porcentajes de elementos Aleantes. El de su componente principal,
el hierro es de alrededor de 1510 °C en estado puro (sin alear), sin
embargo el acero presenta frecuentemente temperaturas de fusión de
alrededor de 1375 °C, y en general la temperatura necesaria para la
fusión aumenta a medida que se aumenta el porcentaje de carbono y
de otros Aleantes. (excepto las aleaciones eutécticas que funden de
golpe). Por otra parte el acero rápido funde a 1650 °C.18
Su punto de ebullición es de alrededor de 3000 °C.19
Es un material muy tenaz, especialmente en alguna de las aleaciones
usadas para fabricar herramientas.
Relativamente dúctil. Con él se obtienen hilos delgados
llamados alambres.
Es maleable. Se pueden obtener láminas delgadas llamadas hojalata.
La hojalata es una lámina de acero, de entre 0,5 y 0,12 mm de
espesor, recubierta, generalmente de forma electrolítica, por estaño.
Permite una buena mecanización en máquinas herramientas antes de
recibir un tratamiento térmico.
Algunas composiciones y formas del acero mantienen
mayor memoria, y se deforman al sobrepasar su límite elástico.
La dureza de los aceros varía entre la del hierro y la que se puede
lograr mediante su aleación u otros procedimientos térmicos o
químicos entre los cuales quizá el más conocido sea el templado del
acero, aplicable a aceros con alto contenido en carbono, que
permite, cuando es superficial, conservar un núcleo tenaz en la pieza
que evite fracturas frágiles. Aceros típicos con un alto grado de
dureza superficial son los que se emplean en las herramientas de
mecanizado, denominados aceros rápidos que contienen cantidades
significativas de cromo, wolframio, molibdeno y vanadio. Los
ensayos tecnológicos para medir la dureza
son Brinell, Vickers y Rockwell, entre otros.
Se puede soldar con facilidad.
14
La corrosión es la mayor desventaja de los aceros ya que el hierro
se oxida con suma facilidad incrementando su volumen y
provocando grietas superficiales que posibilitan el progreso de la
oxidación hasta que se consume la pieza por completo.
Tradicionalmente los aceros se han venido protegiendo
mediante tratamientos superficiales diversos. Si bien existen
aleaciones con resistencia a la corrosión mejorada como los aceros
de construcción «corten» aptos para intemperie (en ciertos
ambientes) o los aceros inoxidables.
Posee una alta conductividad eléctrica. Aunque depende de su
composición es aproximadamente de 3 · 10 S/m. En las tensión se
utilizan con frecuencia conductores de aluminio con alma de acero
proporcionando éste último la resistencia mecánica necesaria para
incrementar los vanos entre la torres y optimizar el coste de la
instalación.
Se utiliza para la fabricación de imanes permanentes artificiales, ya
que una pieza de acero imantada no pierde su imantación si no se la
calienta hasta cierta temperatura. La magnetización artificial se hace
por contacto, inducción o mediante procedimientos eléctricos. En lo
que respecta al acero inoxidable, al acero inoxidable ferrítico sí se le
pega el imán, pero al acero inoxidable austenítico no se le pega el
imán ya que la fase del hierro conocida como austenita no es atraída
por los imanes. Los aceros inoxidables contienen
principalmente níquel y cromo en porcentajes del orden del 10 %
además de algunos aleantes en menor proporción.
Un aumento de la temperatura en un elemento de acero provoca un
aumento en la longitud del mismo. Este aumento en la longitud
puede valorarse por la expresión: δL = α δ t° L, siendo a
el coeficiente de dilatación, que para el acero vale aproximadamente
1,2 · 10−5 (es decir α = 0,000012). Si existe libertad de dilatación no
se plantean grandes problemas subsidiarios, pero si esta dilatación
está impedida en mayor o menor grado por el resto de los
componentes de la estructura, aparecen esfuerzos complementarios
15
que hay que tener en cuenta. El acero se dilata y se contrae según un
coeficiente de dilatación similar al coeficiente de dilatación
del hormigón, por lo que resulta muy útil su uso simultáneo en la
construcción, formando un material compuesto que se
denomina hormigón armado.21 El acero da una falsa sensación de
seguridad al ser incombustible, pero sus propiedades mecánicas
fundamentales se ven gravemente afectadas por las altas
temperaturas que pueden alcanzar los perfiles en el transcurso de un
incendio.
2.6. 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
16
2.7. 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.
3. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL ACERO COMO MATERIAL DE
CONSTRUCCIÓN.
3.1. 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.
17
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.
3.2. 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 rehusó después de desmontar una estructura.
3.2. 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 indicó 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".
4. CARACTERISTICAS DE LOS ACEROS
18
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.
a). 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.
b). Aceros inoxidables
Los aceros inoxidables contienen cromo, níquel y otros elementos de aleación,
que los mantienen brillantes y resistentes la 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.
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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.
4.1. 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.
4.2. 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
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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 500,000 psi 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 a peraltadas (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
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5. 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 Relaminadas 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.
6. Conclusiones.
El acero como vemos es un material importante para la utilización en diferentes
campos, es muy útil para la población. La producción mundial de acero bruto en 2005
ascendió a 1129,4 millones de toneladas, lo que supone un incremento del 5,9 % con
respecto a 2004. Esa evolución resultó dispar en las diferentes regiones geográficas. El
aumento registrado se debe fundamentalmente a las empresas siderúrgicas chinas, cuya
producción se incrementó en un 24,6 %, situándose en 349,4 millones de toneladas, lo
que representa el 31 % de la producción mundial, frente al 26,3 % en 2004. Se observó
asimismo un incremento en India (+16,7 %). La contribución japonesa se ha mantenido
estable. Asia en conjunto produce actualmente la mitad del acero mundial. Mientras que
el volumen de producción de las empresas siderúrgicas europeas y norteamericanas se
redujo en un 3,6 % y un 5,3 % respectivamente.
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La distribución de la producción de acero en 2005 fue la siguiente según cifras
estimadas por el International Iron and Steel Institute (IISI) en enero de 2006.
Europa
UE-27
CEI
331
186
113
Norteamérica y Centroamérica
Estados Unidos
134
99,7
Suramérica
Brasil
45
32,9
Asia
China
Japón
508
280
112
Resto del mundo 39,3
Tabla01. Datos en millones de toneladas
7. Referencias
Millán Gómez, Simón (2006). Procedimientos de Mecanizado. Madrid:
Paraninfo. ISBN 84-9732-428-5.
Sandvik Coromant (2005). Guía Técnica de Mecanizado. AB Sandvik
Coromant.
Larburu Arrizabalaga, Nicolás (2004). Máquinas. Prontuario. Técnicas máquinas
herramientas. Madrid: Thomson Editores. ISBN 84-283-1968-5.
Varios autores (1984). Enciclopedia de Ciencia y Técnica. Salvat
Editores. ISBN 84-345-4490-3.
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