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, níquel,
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.
Ensayos Mecánicos Del 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.
·
ENSAYO DE FATIGA (PERIÓDICO):
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).
·
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.
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.
ü Aleaciones de aluminio: partes de
aviones (alta resistencia en la relación con su peso)
ü Aleaciones de
magnesio: fundiciones para aviones (compite con el aluminio)
ü Aleaciones de cobre: alambres
eléctricos (alta conductividad)
ü 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.
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.
ü TENACIDAD. Es la capacidad que tiene un material de absorber energía sin
producir Fisuras (resistencia al impacto).
ü MAQUINABILIDAD. Es la facilidad que posee un material de permitir el proceso de
mecanizado por arranque de viruta.
ü 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.
FLEXIÓN POR CHOQUE DE METALES NO
FERROSOS
Los metales y aleaciones no ferrosas pueden o no
coincidir con las características de transición dúctil-frágil correspondientes
a los aceros y sus aleaciones.
El cinc, que de acuerdo a normas se ensaya en
flexión por choque entre –20° y +40° C, presenta a bajas temperaturas muy
pequeña resiliencia, la que se eleva considerablemente para valores ligeramente
superiores a la del ambiente. Sin embargo, aumentando la temperatura, tiene
tendencia a disminuir su capacidad de absorber energía; esta característica es
de importancia si se tiene en cuenta que la disminución de la ductilidad puede
corresponder a temperaturas de uso del material.
El comportamiento del cobre, aluminio y sus
aleaciones bajo efectos dinámicos de impacto, resulta distinto al de los aceros
y el cinc, pues la disminución de la temperatura acrecienta ligeramente la
ductilidad.
En el níquel y sus aleaciones el aumento de la
resiliencia es de importancia, al disminuir la temperatura y sólo para valores
muy bajos de ésta se produce una ligera disminución de la energía de rotura.
El aumento de la tenacidad con la disminución de la
temperatura, tiene lugar en los metales que presentan estructura cristalina
correspondiente al sistema cúbico de caras centradas.
FLEXIÓN POR CHOQUE DE COBRE Y
ALEACIÓN (ASTM 260)
Materiales: Cobre electrolítico y aleación ASTM 260
(Cu = 70 %;Zn = 30 %)
Método: Izod.
El cobre y los llamados latones monofásicos, como
el ensayado (figura 16) son ejemplos típicos de metales de estructura cúbica de
caras centradas. Se verifica el aumento de la energía al disminuir la.
temperatura y la carencia del período de transición dúctil-frágil en el rango
de temperaturas de ensayos.
Además, la aleación obtenida con Zn presenta un
aumento de la tenacidad por incremento de la energía a igual temperatura, con
respecto al cobre electrolítico.
Ensayo de Choque:
Dentro de los ensayos de choque encontramos dos
tipos usualmente utilizados para determinar la resiliencia de un material.
El principio de funcionamiento de la máquina
utilizada es el que se demuestra en la , donde una masa o peso “G” asegurado a
una barra que puede girar sobre un eje “O”, es elevado a una altura H1, desde
su posición vertical de reposo, lo que también el posible indicador con el
ángulo a1, en estas condiciones se deja caer y en el punto P, ubicada sobre la
vertical de desplazamiento de péndulo, se coloca una barra de un material determinado.
El ensayo dinámico se realiza en una máquina
conocida como péndulo o martillo pendulante, para realizar el ensayo se coloca
la probeta en una mordaza y depende del método a utilizar se golpea la probeta,
provocando en la mayoría de los ensayos una rotura con la característica de
poseer rotura por tracción y por corte. Los valores obtenidos por estos
ensayos, son únicamente comparables, en materiales con propiedades similares,
ya sean dúctiles o frágiles, cuando se realizan sobre el mismo tipo de probeta
y en idénticas condiciones de ensayo.
En diferencia en el método IzoD y Charpy es que en
este último se utiliza un martillo de pena con la cara redonda, y en IzoD se
usa la cara opuesta del martillo.
El trabajo obtenido por la probeta se llama
resiliencia, y es válido solo cuando la probeta se rompe de un solo golpe. La
resiliencia se calcula según el volumen o la sección y según el método que
estemos utilizando.
Probetas:
En el método de Charpy se usan probetas entalladas
aprobada por ISO con las dimensiones mostradas en las figuras siguientes.
Forma de las probetas en Charpy y su entalla
Todas las probetas tienen una entalla que es una
muesca, la cual se ubica en el extremo de las mordazas, que sirve
principalmente para ubicar la rotura ya que la zona de deformaciones se ubican
cercanas a ellas.
ENSAYOS REALIZADOS EN EL LABORATORIO
Primer ensayo: El primer ensayo que se realizo fue
un ensayo de Charpy, y se realzo sobre un SAE 1060 de grano Fino.
S = 10 mm x 8 mm = 80 mm2
V1 = 3,36 m/seg
Carga inicial = 5,6 kgm
Energía absorbida = 1,8 kgm
K = (1,8 Kgm) : 0,8 cm2 = 2,25 Kgm/cm2
Segundo ensayo: El segundo ensayo se realizo sobre
el mismo acero que el ensayo anterior y se utilizó el método IzoD
S = 10 mm x 8 mm = 80 mm2
V1 = 3,36 m/seg
Carga inicial = 5,6 kgm
Energía absorbida = 1,3 Kgm
K = (1,3 Kgm) : 0,8 cm2 = 1,62 Kgm/cm2
Tercer ensayo: El tercer ensayo fue un Ensayo de
tracción dinámica y se realizo sobre la probeta proveniente de un barril de
plástico para material de exportación.
Vol. = 3,04 cm3
E = 80 mm
A = 10 mm
K = (2,3 Kgm) : 3,04 cm3 = Kgm/cm3
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.
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