Acero

Acero

Acero. Término que corresponde a un gran número de aleaciones que contienen hierro, como componente principal, y pequeñas cantidades de carbono, como principal elemento de aleación. Estas aleaciones pueden llamarse con mayor propiedad aceros al carbono, y representan más del 90% de la producción total de aceros en el mundo. También puede haber en los aceros pequeñas cantidades, generalmente del orden de unos puntos porcentuales, de otros elementos, como manganeso, silicio, cromo, molibdeno y níquel. Sin embargo, cuando aumenta el contenido de los aleantes agregados al hierro, éste adquiere propiedades especiales, y se emplean otras designaciones para la descripción de estas aleaciones. Por ejemplo, un mayor contenido de cromo, del orden de 12%, se agrega para producir el importante grupo de aleaciones conocidas como aceros inoxidables.

Aceros al carbono

Los aceros de bajo carbono, conocidos en ocasiones como aceros suaves, contienen normalmente menos de 0.25% de carbono. Estos aceros se trabajan fácilmente en caliente y se producen en grandes cantidades para la fabricación de vigas y otros productos estructurales.

Los aceros de medio carbono contienen entre 0.25 y 0.70% de carbono; se emplean más frecuentemente en componentes de máquinas que requieren resistencia mecánica alta y, en especial, buena resistencia a la fatiga.

Los aceros de alto carbono contienen más de 0.70% de carbono y constituyen una categoría especial a causa de su dureza alta y tenacidad baja. Esta combinación de propiedades hace que los aceros de alto carbono sean ideales, por ejemplo en los cojinetes, donde se requiere una resistencia alta al desgaste y las cargas compresivas disminuyen la posibilidad de que se produzca una fractura frágil, al contrario de lo que sucede con cargas de tensión.

Productos elaborados con acero

• Tubos
• Planchas
• Productos no planos
• Cabillas
• Perfiles estructurales

Características positivas de los aceros

Alta resistencia mecánica

Los aceros son materiales con alta resistencia mecánica al someterlos a esfuerzos de tracción y compresión y lo soportan por la contribución química que tienen los aceros. Por medio de los ensayos de laboratorio se determina la resistencia a tracción y a compresión evaluando su límite elástico y el esfuerzo de rotura.

Elasticidad: La elasticidad de los aceros es muy alta, en un ensayo de tracción del acero al estirarse antes de llegar a su límite elástico vuelve a su condición original.

Soldabilidad: Es un material que se puede unir por medio de soldadura y gracias a esto se pueden componer una serie de estructuras con piezas rectas.

Ductilidad: Los aceros tienen una alta capacidad para trabajarlos, doblarlos y torcerlos.

Forjabilidad: Significa que al calentarse y al darle martillazos se les puede dar cualquier forma deseada.

Trabajabilidad: Se pueden cortar y perforar a pesar de que es muy resistente y aún así siguen manteniendo su eficacia.

Características negativas de los aceros

Oxidación: Los aceros tienen una alta capacidad de oxidarse si se exponen al aire y al agua simultáneamente y se puede producir corrosión del material si se trata de agua salina.

Transmisor de calor y electricidad: El acero es un alto transmisor de corriente y a su vez se debilita mucho a altas temperaturas, por lo que es preferible utilizar aceros al níquel o al aluminio o tratar de protegerlos haciendo ventilados y evitar hacer fábricas de combustible o plásticos con este tipo de material. Estas dos desventajas son manejables teniendo en cuenta la utilización de los materiales y el mantenimiento que se les de a los mismos.

Control de calidad de los aceros

El control de calidad de los aceros en nuestro país se basa en dos ensayos:

Comprobación química: Esta se hace porque existen muchos tipos de acero y se exige a la empresa que los fabrica un comprobante de su composición química.

Ensayo de tracción axial: Este ensayo siempre se hace en obra de forma aleatoria a los aceros que se reciben. El objetivo de este ensayo es obtener en cualquier acero su límite de elasticidad y su esfuerzo de rotura para así se conoce la calidad del material y compararlo con los parámetros que se establecen para los aceros de buena calidad, también se obtiene el porcentaje de alargamiento el cual permite conocer la ductilidad del acero.

Equipos:

• Una prensa
• Un extensómetro
• Un vernier o calibrador.
• Una cinta metálica de medición.

Procedimiento: La muestra a ensayar se lleva al laboratorio, se mide con el vernier y se calcula su área, luego se determina la longitud que va a tener, normalmente si es A donde A es el área una barra se trabaja con 50 cm y si es un perfil L = 10 del perfil. Teniendo lista la muestra se coloca agarrada en los extremos por la prensa para proceder a aplicarle la carga. Al aplicarle la carga se anota toda la información que se va obteniendo en una tabla como la que se presenta a /L=(cm) continuación: N (kg) A (cm²) (k/cm²)

A medida que se aplica la carga el extensómetro indica la deformación que se va produciendo y con esta información se obtienen las características mecánicas de la muestra. Para tener el porcentaje de alargamiento se marca centímetro a centímetro toda la barra antes de iniciar el proceso de tracción, para poder luego medir cuánto fue el alargamiento antes de partirse.

Medición de Resultados:

Zona elástica: es la zona donde al descargar la viga, esta vuelva a su forma original.

Zona plástica: se refiere a la zona donde al ocurrir la deformación de la viga y dejar de cargarla no vuelve a su posición original.

Estricción: ocurre cuando la viga se estrecha y allí tendremos el esfuerzo máximo de rotura. % Alargamiento = [(Lf – Li)/Li]100% Li = 20 cm. Para la construcción solo se hace control de calidad para las Cabillas y los Perfiles Estructurales.

Chequeo de cabillas

Composición Química

• Máximo de Carbono el 0,3%
• Máximo de Azufre el 0,05%
• Máximo de Fósforo el 0,04%.

Ensayo de Tracción Axial: Fy min Fv min Alarg. En 20 cm min, N40 2.800 kg/cm² 4.900 kg/cm² 16%,N60 4.200 kg/cm² 6.300 kg/cm² 13%.

• El porcentaje de alargamiento en los ensayos no puede dar menos de estos resultados.
• El límite elástico tampoco puede ser superior al 30% de su valor mínimo.
• La diferencia entre Fy y Fv tiene que ser mayor al 25%

Chequeo de los perfiles estructurales

Los Perfiles Estructurales no pueden tener daños visibles, lo primero que deben tener es un buen aspecto.

Composición Química: La composición química en nuestro país está normalizada a dos tipos de perfiles: % C max % Mu max % P max % S max, AE25 0,20 0,80 0,05 0,05, AE35 0,30 0,90 0,05 0,05. Si se trata de aceros venezolanos se puede omitir lo anterior porque ya vienen con estas consideraciones. Ensayo de tracción Axial:

Determinar sus características físicas y mecánicas que también están normalizados. Fy min Fv min Alarg. En 20 cm min, AE25 2.500 kg/cm² 3.700 kg/cm² 21%, AE35 3.500 kg/cm² 5.200 kg/cm² 18%. Los Conduven se hacen con AE35 y son los de mejor calidad.

En los perfiles estructurales se debe controlar:

Oxidación: esto ocurre cuando los aceros están en contacto directo con el agua y el aire simultáneamente.

La Corrosión: Está estrechamente ligada a la oxidación con la diferencia que ocurre cuando el material está expuesto a solución salina. Conductividad: El acero es un alto transmisor de corriente y a su vez se debilita mucho a altas temperaturas, por lo que es preferible utilizar aceros al níquel o al aluminio o tratar de protegerlos haciendo ventilados y evitar hacer fábricas de combustible o plásticos con este tipo de material.

Mejoras y recomendaciones

Los aceros se mejoran haciendo aleaciones especiales con Cromo, Níquel y Aluminio con lo que se hace el acero inoxidable.

• El segundo sistema utilizado es el galvanizado, es un baño de zinc que le da una capa protectora que no es permanente, por lo que se le deba dar un mantenimiento y para protegerlo se le coloca pintura anticorrosiva que son de oleo.

Construcción de los nodos

Los nodos son puntos en los cuales se unen elementos distintos y ya que son los puntos más sensibles a la oxidación se debe tener sumo cuidado en su elaboración por eso se necesita una mano de obra especializada.

Existen 2 métodos para construir nodos:

Empernado: es una acción mecánica y se hace a través de 2 piezas (remaches o pernos). Cuando se trabaja con remaches se calienta a altas temperaturas la parte cilíndrica y al unirlo a la otra pieza se martilla para que tome la forma deseada.

Los pernos tienen una arandela y se ajustan. Estos sistemas tienen un inconveniente y es que le incrementa mucho el paso a la estructura y no se tiene la garantía 100% de que esté bien ajustado, por razón estas técnicas están en desuso.

Soldadura: Es la unión de 2 piezas en un nodo a través de la fundición a altas temperaturas de las piezas que se requieren unir, a demás se le puede añadir electrodos para reforzar la unión. Se utiliza también una soldadura autógena que se utiliza con una llama (combinación de Oxígeno y Acetileno) pero no se utiliza mucho, se usa mas que todo en los talleres.

Características mecánicas y tecnológicas del acero

Representación de la inestabilidad lateral 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.

Propiedades genéricas

Su densidad media es de 7850 kg/m³.

En función de la temperatura el acero se puede contraer, dilatar o fundir.

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 funde (excepto las aleaciones eutécticas que funden de golpe). Por otra parte el acero rápido funde a 1650 °C. Su punto de ebullición es de alrededor de 3000 °C. 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 lamina 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.

Diagramas tensión-deformación del acero

Diagrama tensión-deformación de proyecto es el que se adopta como base de los cálculos, asociado en esta Instrucción a un nivel de confianza del 95 por 100. Diagrama característico tensión-deformación del acero en tracción es aquel que tiene la propiedad de que los valores de la tensión, correspondientes a deformaciones no mayores de 10 por 1.000, presentan un nivel de confianza del 95 por 100 con respecto a los correspondientes valores obtenidos en ensayos de tracción realizados según la Norma UNE 36.401/81.

El conocimiento del diagrama característico del acero permite dimensionar las secciones sometidas a solicitaciones normales (flexión, compresión) con mayor precisión y economía que si sólo se conoce el valor del límite elástico. Se recomienda, por ello, que los fabricantes de acero establezcan y garanticen este diagrama para cada uno de los tipos que suministren, con objeto de poderlos tipificar como diagramas de proyecto.

Para establecer el diagrama y comprobarlo con ensayos de recepción, se admite que es suficiente determinar las tensiones que corresponden a las siguientes deformaciones: 0,001; 0,002; 0,003; 0,004; 0,005; 0,006; 0,008 y 0,01. En rigor, el límite elástico característico es el que corresponde en el diagrama característico a una deformación remanente del 0,2 por 100. Como simplificación puede adaptarse como valor característico del límite elástico el obtenido a partir de los valores de los límites elásticos de los ensayos de tracción realizados según la Norma UNE 7.262.

Resistencia de cálculo del acero

Se considerará como resistencia de cálculo del acero fyd el valor: En donde fyd es el límite elástico de proyecto y  s es el coeficiente de minoración definido en el Artículo 31º.

Comentarios

Se recuerda que en piezas sometidas a compresión simple la deformación de rotura del hormigón toma el valor 2 por 1.000 (véase 36.2), lo que limita el aprovechamiento de la resistencia de cálculo para el acero al valor de la tensión correspondiente a dicha deformación, en el diagrama del acero empleado (para el acero de dureza natural 4.200 kp/cm ).

Diagrama de cálculo tensión-deformación del acero

El diagrama de cálculo tensión-deformación del acero (en tracción o en compresión) se deduce del diagrama de proyecto mediante una afinidad oblicua, paralela a la recta de Hooke de razón 1 /s

Se admite el empleo de diagramas simplificados de cálculo, de tipo birrectilíneo u otros, siempre que su uso conduzca a resultados que queden del lado de la seguridad o estén suficientemente avalados por la experiencia.

La deformación del acero en tracción se limita al valor 10 por 1.000 y la de compresión al valor 3,5 por 1.000, de acuerdo con lo indicado en 36.2. Cuando se emplea el método del momento tope (Artículo 37º) puede utilizarse como diagrama de cálculo del acero, el simplificado de la figura 25.3.a limitando superiormente fyc,d al valor 4.000 kp/cm.

Véase también:

• Elaboración de Aceros

Fuentes

• buenastareas.com
• arqui.com
• enciclopedia.us.es
• arqhys.com
• xuletas.es
• wikipedia.org
• Enciclopedia McGraw-Hill de Ciencia y Tecnología. 2da. Edición, Tomo I, 1992