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- 1. Propiedades del Acero Ricardo Herrera Mardones Departamento de Ingeniería Civil, Universidad de Chile Santiago, Chile Octubre de 2006 Elaboración, guión y locución a cargo del Dpto. de Ingeniería Civil de la Universidad de Chile con coordinación del Ing. Ricardo Herrera
- 2. Propiedades del Acero CONTENIDO 1. Introducción 2. Proceso de fabricación 3. Propiedades del acero 4. Tipos de acero 5. Tipos de miembros de acero 6. Usos del acero
- 3. 1. Introducción • Aleación de Fe y C (~0.05-2%). • Puede contener otros elementos como Mn, Ni, Nb, Cr, V, P, S, Si, Cu, etc. • Porcentaje y elementos de aleación pueden modificar propiedades del acero. • Carbono Equivalente (CE%) = C% + (Mn%/6) + ((Cr%+Mo%+V%)/5) + ((Ni%+Cu%)/15) ¿QUE ES EL ACERO?
- 4. 1. Introducción Elemento Efecto ALEACIONES COBRE Mejora resistencia a corrosión atmosférica. MANGANESO Desoxidante, neutraliza azufre, facilitando trabajo en caliente. Mejora la resistencia SILICIO Se emplea como desoxidante y actúa como endurecedor en el acero de aleación. FOSFORO Y AZUFRE Perjudican la tenacidad del acero
- 5. 1. Introducción • Alta resistencia • Uniformidad y homogeneidad • Rango elástico amplio • Durabilidad • Ductilidad y tenacidad • Rapidez de construcción • Reciclabilidad VENTAJAS DEL ACERO
- 6. 2. Proceso de Fabricación CONVERTIDOR DE OXIGENO DE ALTO HORNO Fuente: Infoacero.cl
- 7. 2. Proceso de Fabricación CONVERTIDOR DE OXIGENO DE ALTO HORNO Fuente: Infoacero.cl
- 8. 2. Proceso de Fabricación HORNO DE ARCO ELECTRICO
- 9. 2. Proceso de Fabricación AFINO DEL ACERO Y LAMINACION Fuente: Infoacero.cl
- 10. 2. Proceso de Fabricación Procesos de laminado en caliente • Laminado en caliente tradicional. • Laminación controlada. – Laminado de normalización (N) – Laminación termomecánica controlada • Enfriamiento acelerado • Temple y autorrevenido PROCESOS DE LAMINACION
- 11. 4. Propiedades del acero • Estructura cristalina PROPIEDADES FISICAS Cristal cúbico de malla centrada Cristal cúbico de cara centrada
- 12. 4. Propiedades del acero Propiedades metálicas características • buena ductilidad (o maleabilidad). • conductividad térmica elevada. • conductividad eléctrica elevada. • brillo metálico. PROPIEDADES FISICAS
- 13. 4. Propiedades del acero Resistencia a la Corrosión • Corrosión: pérdida de sección debido a reacciones químicas o electroquímicas con medioambiente. • Resistencia depende de: – Composición química PROPIEDADES FISICAS
- 14. 4. Propiedades del acero Ensayo a tracción PROPIEDADES MECANICAS
- 15. 4. Propiedades del acero PROPIEDADES MECANICAS Acero dulce Acero de alta resistencia Fyd
- 16. 4. Propiedades del acero PROPIEDADES MECANICAS Curva idealizada esfuerzo-deformación del acero s e Fu Rango elástico Rango plástico eu Fyd Fys Endurecimiento por deformación E
- 17. 4. Propiedades del acero • Módulo de Young E = 200000 MPa • Modulo de Poisson – Elástico n = 0.3 (aumento de volumen) – Plástico n = 0.5 (volumen constante) PROPIEDADES MECANICAS
- 18. 4. Propiedades del acero PROPIEDADES MECANICAS Resistencia a la fractura (tenacidad) • Imperfecciones son microgrietas. • Inclusiones y dislocaciones dependen de la composición, el proceso de laminación y el tratamiento térmico. • Grietas generan concentración de tensiones. • Existe longitud crítica de grieta que inicia la propagación de la grieta
- 19. 4. Propiedades del acero Máquina de Ensayo Charpy PROPIEDADES MECANICAS Probeta
- 20. 4. Propiedades del acero • Dureza: Resistencia a penetración superficial. – Métodos de ensayo PROPIEDADES MECANICAS • Dinámicos: ensayo de dureza al impacto y ensayo de dureza Shore • Estáticos: ensayo Brinell, ensayo Vickers y ensayo Rockwell
- 21. 4. Propiedades del acero • Composición química • Tratamiento térmico • Estado de esfuerzos • Historia de deformaciones • Temperatura • Velocidad de carga (deformación) FACTORES
- 22. 4. Propiedades del acero • Estado multiaxial de esfuerzos Von Mises: FACTORES ESTADO DE ESFUERZOS
- 23. 4. Propiedades del acero FACTORES HISTORIA DEFORMACIONES s e “Strain aging” Endurecimiento por deformación A B Ductilidad después de endurecimiento por deformación y “strain aging” C
- 24. 4. Propiedades del acero FACTORES TEMPERATURA
- 25. 4. Propiedades del acero FACTORES VELOCIDAD DE CARGA
- 26. 4. Tipos de Acero CLASIFICACION SEGUN COMPOSICION • Aceros al carbono Contienen diversas cantidades de C y menos del 1,65% de Mn, el 0,60% de Si y el 0,60% de Cu. Ejemplo: A36 • Aceros aleados Contienen V, Mo y otros, además de cantidades mayores de Mn, Si y Cu que los aceros al carbono. Ejemplo: A514 • Aceros de baja aleación y alta resistencia Contienen cantidades menores de aleación. Tratados para obtener resistencia mucho mayor que la del acero al carbono. Ejemplo: A572, A992. • Aceros inoxidables Contienen Cr, Ni y otros para resistir oxidación.
- 27. 5. Tipos de elementos de acero estructural Angulo Te Canal Perfil W Barra Placa Perfiles Laminados
- 28. 5. Tipos de elementos de acero estructural Tubo circular Tubo rectangular Perfiles plegados y soldados Perfiles plegados (en frío)
- 29. 6. Usos del acero • Estructuras de marco: edificios, torres, puentes, galpones.
- 30. 6. Usos del acero • Cáscaras y membranas: estanques, silos, calderas, cascos de barco.
- 31. 6. Usos del acero • Estructuras suspendidas: puentes, techos.
Notas del editor
- Propiedades del Acero
- En este capítulo se presentan las características y propiedades principales del acero. El capítulo parte describiendo que es el acero, para luego describir la fabricación del acero y su conformación en placas y perfiles. A continuación, se describen las propiedades físicas y mecánicas de relevancia para el diseño en acero. Por último, se presentan los diferentes tipos de acero, tipos de miembros de acero y tipos de estructuras de acero que existen.
- Los aceros son aleaciones de hierro (Fe) y carbono (C) junto con varios elementos más, algunos de los cuales son impurezas inevitables mientras que otros se añaden deliberadamente. El carbono es el que ejerce una mayor influencia sobre la microestructura y las propiedades del material. Los aceros suelen tener un contenido en carbono inferior al 1% en peso. Los aceros estructurales contienen menos de un 0,25% de carbono: el otro elemento principal de la aleación es el manganeso, que se añade en cantidades de hasta alrededor del 1,5%. Otros elementos de la aleación son cromo (Cr), níquel (Ni), molibdeno (Mo), etc. Elementos tales como el azufre (S), fósforo (P), nitrógeno (N) e hidrógeno (H) suelen tener un efecto perjudicial sobre las propiedades físicas, por lo que durante la fabricación del acero se toman medidas para reducir su contenido. Para medir la cantidad de aleación presente en un acero se utiliza el concepto de Carbono Equivalente (CE). Este índice tiene una influencia importante en varias de las propiedades del acero. Los aceros estructurales tienen hasta un 0.4% de contenido de Carbono Equivalente.
- Los elementos de aleación específicos y sus cantidades determinan el tipo de acero de aleación y sus propiedades particulares. Se muestran en la tabla los efectos de los elementos de aleación más comunes.
- El acero presenta varias ventajas como material estructural: Es el material de construcción convencional de más alta resistencia Para efectos prácticos, se puede considerar como un material homogéneo y uniforme Posee un amplio rango de deformaciones para el que se comporta elásticamente Si se toman las medidas adecuadas, el acero puede durar muchos años Tiene gran capacidad de deformación inelástica y resistencia a fractura Es modular y rápido de construir Es 100% reciclable.
- La fabricación del acero se realiza a través de dos métodos: • El convertidor básico de oxígeno de alto horno ("Basic Oxygen Converter" (BOF)) • El horno de arco eléctrico (“Electrical Arc Furnace” (EAF)) En la producción de acero bruto su participación es del 70% (BOF) y del 30% (EAF). El primer método adquiere un papel dominante cuando se trata de índices elevados de producción y de la fabricación de acero bajo en impurezas. Los bajos costes energéticos y un amplio suministro de chatarra reciclada aseguran al segundo método una cuota de mercado competitiva, sobre todo cuando se utiliza el horno UHP (“Ultra High Power”). El proceso de fabricación del acero es el siguiente: El alto horno se alimenta de hierro sinterizado, producido en la planta de sinterización. En el proceso de sinterización se carga una mezcla de finos de mineral de hierro, cal y coque (carbono casi puro), y se funde parcialmente para formar una mezcla porosa de óxidos de hierro y ganga. El horno alto es un horno de tipo cuba que funciona mediante la técnica de contracorriente: la carga descendente de sinterizado y coque, cargada por la parte superior del horno, es calentada y reducida por los gases de la combustión que ascienden de la zona de tobera, donde se inyecta un chorro de aire caliente para quemar el C y convertirlo en CO. El chorro de aire se comprime por medio de un soplante y se calienta en estufas especiales a 1100°C, por medio de la combustión de los gases de escape depurados del horno. El CO reduce los óxidos de hierro (FeO, Fe2O3) y algunos de los elementos presentes en la ganga del sinterizado, para producir metal líquido. El polvo del tragante del horno alto, que contiene cerca de un 40% Fe, se recicla en el proceso de sinterizado. Por debajo de la zona de tobera, donde se da la mayor temperatura, el material fundido se acumula en el crisol, donde el hierro líquido (fundición bruta) se separa de la escoria por la diferencia de densidad. La escoria y la fundición bruta líquida (arrabio) se extraen desde diferentes piqueras. El arrabio se vacía a cucharas o torpedos (capacidad: 300 - 400 t) y se transporta a la acería para su afinado y conversión en acero. Al final de este proceso, el mineral de hierro sinterizado se ha reducido a hierro bruto en el alto horno.
- El hierro bruto se transforma entonces en el convertidor de oxígeno en acero bruto. El horno básico de oxígeno o convertidor LD (por el proceso Linz-Donawitz iniciado en 1956) está basado en la inyección de oxígeno a la colada de metal líquido por medio de una lanza. En el convertidor se cargan chatarra y cal para enfriar la colada y eliminar el fósforo, el silicio y el manganeso. El convertidor está revestido con una capa refractaria de dolomita o magnesita. El oxígeno quema el carbono como monóxido de carbono CO y gas carbónico CO2 que se recoge en el cañón de chimenea y se limpia de polvo (Fe203 y partículas de cal, etc.). Los elementos Mn, Si y P se oxidan y combinan con la cal (CaO) y el FeO formado por la oxidación del Fe, para formar una escoria fundida. Al ser estas reacciones de oxidación altamente exotérmicas, el proceso exige un enfriamiento para controlar la temperatura de la colada. Este enfriamiento se realiza cargando chatarra (residuos de fabrica y laminación reciclados) y añadiendo mineral de hierro durante el proceso de soplado. El acero se vierte a la cuchara a través de una piquera, inclinando el horno. En el transcurso de esta operación se añaden ferroaleaciones a la cuchara para controlar la composición del acero.
- En el proceso de horno de arco eléctrico, la carga metálica fría, principalmente chatarra, se funde mediante la energía de arcos eléctricos generados entre los extremos de electrodos de grafito y la carga metálica conductora. Los tres electrodos y la bóveda del horno se levantan y retiran del blindaje del horno girándolos para permitir la carga de la chatarra. Los electrodos mantienen el arco de acuerdo con el voltaje y el nivel de corriente escogidos para producir la potencia deseada a la deseada longitud de arco para la fusión y afino. Dado que durante el período de fusión el ruido generado por los arcos es elevado, con niveles de hasta 120 dBA, la cabina de operarios está especialmente protegida y el horno posee un cerramiento especial. Estos hornos tienen un diámetro interno de 6 a 9 metros y una capacidad de 100 a 200 toneladas de acero.
- Las unidades de fusión de alto rendimiento, tales como convertidores u hornos de arco eléctrico no proveen suficiente control de los contenidos de aleación. El contenido en nitrógeno y fósforo se puede reducir a niveles bajos en el convertidor, pero sólo se pueden obtener niveles muy bajos (< 2 ppm) de contenido en carbono, azufre, oxígeno e hidrógeno mediante un tratamiento subsiguiente en la cuchara. Para asegurar un acondicionamiento apropiado del acero antes del proceso de colada, en la metalurgia de cuchara se llevan a cabo la aleación del acero conforme a un análisis específico y tratamientos de afino especiales. Los objetivos de la fabricación de acero en cuchara (afino) se pueden resumir como sigue: • afino y desoxidación • eliminación de los productos de la desoxidación (Mn0, SiO2, Al2O3) • desulfuración a niveles muy bajos (< 0,008%) • homogeneización de la composición del acero • ajuste de la temperatura para la colada, recalentando si es necesario (horno de cuchara) • eliminación de hidrógeno a niveles muy bajos mediante tratamiento de vacío. Una vez terminado el proceso de afino, el material pasa a la colada continua para proceder a la solidificación del material. El elemento principal del proceso de colada continua es el molde de cobre oscilante enfriado con agua. Su principal función es formar una lámina solidificada de acero que tenga la resistencia suficiente para impedir rebabas por debajo del molde. Al abandonar el molde, la hilera de material es enfriada por medio de rociadores de agua y se apoya en cilindros para evitar el pandeo hasta que se complete la solidificación. Las secciones de la hilera de material cubren la gama de productos semiacabados, como palanquillas, desbastes cuadrados o desbastes rectangulares, destinados a los laminadores de acabado en caliente.
- Las palanquillas o planchones que salen del proceso de colada continua deben ser recalentados antes de ser sometidos al proceso de laminación en caliente. Existen dos tipo de proceso de laminado en caliente que difieren en sus objetivos: laminado en caliente tradicional y laminación controlada. En el primer caso se trata de producir la forma requerida con el mínimo número de pasadas de cilindro, mientras que en el segundo el objetivo es aumentar resistencia y tenacidad del acero mediante control cuidadoso de la temperatura y la deformación durante el laminado. Dentro de los procesos de laminación controlada tenemos el laminado de normalización y la laminación termomecánica controlada.
- El acero está conformado por cristales de fierro. La estructura interna de los granos cristalinos está compuesta de átomos de hierro dispuestos conforme a un patrón regular tridimensional. La figura de la izquierda representa la estructura cristalina del acero a temperatura ambiente. Se trata de la estructura cristalina cúbica de mallas centradas; los átomos se encuentran en las esquinas y en el centro del cubo. La malla es de solo 0,28 mm en sus aristas. Un grano típico se compone de alrededor de 10 elevado a 15 repeticiones de esta malla. Esta estructura determina la metalurgia y propiedades de los aceros. La estructura cristalina cambia con el aumento de temperatura. Con el hierro puro este cambio se produce a los 910 ºC. Los cristales cúbicos de mallas centradas (cmc) de la izquierda se convierten en cristales cúbicos de caras centradas (ccc), mostrados a la derecha. En los cristales ccc, los átomos de hierro están en las esquinas del cubo y en el centro de cada cara del cubo. La posición de mallas centradas está vacía. En el acero, el carbono se encuentra en solución con el fierro, ocupando los espacios vacíos entre los átomos de este elemento.
- El acero, como otros metales y aleaciones, presenta las cuatro propiedades metálicas indicadas. Estas propiedades son consecuencia de la estructura del material. La ductilidad es consecuencia de la falta de direccionalidad en el enlace de los átomos y de la naturaleza compacta de las estructuras cristalinas, lo cual normalmente permite que se produzca un profuso deslizamiento cristalográfico bajo tensión. La no direccionalidad del enlace permite asimismo que las vibraciones térmicas se transmitan con facilidad de un átomo vibrante a los contiguos, de ahí la elevada conductividad térmica. La existencia de electrones libres proporciona la conductividad eléctrica elevada. Estos electrones libres son también los responsables del brillo metálico, pues puede absorberse y volverse a irradiar fácilmente luz incidente de una gran gama de longitudes de onda.
- Otra propiedad física importante es la resistencia a la corrosión. Todos los aceros sufren corrosión. Sin embargo, en algunos, la capa de corrosión superficial que se forma sirve de protección para el resto del material. Esto va a depender principalmente de las aleaciones que tenga el acero. Si no es el caso, se debe recurrir a protecciones externas, pasivas o activas para evitar situaciones como la de la figura.
- Las propiedades mecánicas de los materiales se determinan utilizando probetas y procedimientos de ensayo normalizados. Para los materiales dúctiles como la mayoría de los aceros el método de ensayo más empleado es el de ensayos de tracción. La figura muestra el esquema de una máquina para ensayar cupones de acero en tracción. Durante los ensayos es necesario controlar la velocidad y temperatura de ensayo.
- Las figuras muestran los resultados de un ensayo de tracción para un acero corriente al carbono y un acero de alta resistencia. Durante el ensayo se miden la carga (P) y el alargamiento (DeltaL), obteniéndose el diagrama tensión (sigma)-deformación (epsilon) atendiendo a las dimensiones de la pieza de ensayo. La tensión nominal o ingenieril sigma es la carga P dividida por el área original de la sección transversal y la deformación ingenieril es igual al cambio de longitud con respecto a la longitud inicial. Aceros dulces presentan una discontinuidad entre los regímenes elástico y plástico, con un límite de fluencia marcado seguido de un breve período de deformación plástica irregular.
- El diagrama tensión-deformación ingenieril se puede dividir entre zonas: deformación elástica, alargamiento plástico uniforme con tensión en aumento constante (e < eu) y alargamiento plástico irregular (e > eu). El fenómeno de la fluencia está descrito por: • la tensión máxima de fluencia Fyd al iniciarse la fluencia (esfuerzo de fluencia dinámico). • la tensión mínima de fluencia Fys, que es el valor de tensión durante la propagación de las bandas de Lüder (esfuerzo de fluencia estático). En el caso de que el acero no presente un límite elástico bien definido, la tensión de fluencia se define como la tensión que genera un 0.2% de deformación permanente. Dentro del alargamiento uniforme, solo es posible una deformación plástica ulterior mediante una carga en constante aumento. La densidad de dislocación aumenta conforme se incrementa la deformación, dificultando una ulterior deformación debido a la interacción entre las dislocaciones. Este efecto se conoce como endurecimiento por deformación en frío. En la tercera zona la deformación de la probeta continúa estrechándose, aunque esto ocurre ahora localmente. La tensión a la que empieza el estrechamiento es la tensión de rotura Fu y la deformación asociada es eu.
- La pendiente de la zona elástica (módulo de Young) no varía significativamente con la resistencia del material y es relativamente constante para todos los aceros. En la zona elástica el coeficiente de Poisson tiene un valor de aproximadamente 0.3. Esto implica que el volumen del material elásticamente deformado está aumentando. En la zona plástica, con deformaciones mucho mayores, el volumen del material no cambia de forma significativa y el coeficiente de Poisson tiene un valor de 0.5.
- La resistencia a la fractura es una propiedad muy importante, especialmente en aplicaciones sísmicas y de cargas repetidas. Las inclusiones y dislocaciones que aparecen en el material debido al proceso de fabricación son imperfecciones a partir de las que se pueden generar grietas en el material. Si estas grietas son lo suficientemente largas, se propagan y eventualmente generan una fractura en el miembro de acero.
- Para evaluar la susceptibilidad a fractura se realiza el ensayo Charpy. La probeta es un trozo del material a evaluar al que se le ha hecho una muesca para generar una zona de concentración de tensiones. Esta probeta se coloca en la máquina, que es un péndulo graduado cuyo brazo se levanta y se deja caer para que impacte la probeta. La altura a la cual se produce la rotura de la probeta se relaciona con la energía requerida para producir la fractura. Las normas establecen valores mínimos que debe cumplir el acero dependiendo de la aplicación.
- Dureza es la medida de la resistencia a la deformación cuando se hace penetrar un instrumento de indentación cargado en la superficie del metal sometido a ensayo. Existen varios métodos de ensayo que se correlacionan relativamente bien. Los ensayos dinámicos tienen la ventaja de la rapidez, pero no son tan precisos como los ensayos estáticos.
- Los distintos factores que afectan las propiedades del acero son: Composición química: ya hemos hablado del efecto de las aleaciones. Tratamiento térmico: tratamientos en los cuales se cambia la temperatura del producto en estado sólido. Afectan las propiedades de resistencia, ductilidad y tenacidad, debido a que modifican el tamaño de grano del material. En general, para tamaños de grano menores, el material tendrá mayor resistencia y ductilidad. Los otros factores son discutidos a continuación.
- En muchas situaciones teóricas existen tensiones en más de una dirección. La dirección y la magnitud de las tensiones influye sobre el inicio de la fluencia. En la compresión triaxial equilibrada que se representa en la figura no es posible la fluencia del material, porque no tiene “donde ir” hasta que no se produzca una rotura en la estructura atómica de los cristales a varias órdenes de magnitud de tensión por encima de la tensión de fluencia uniaxial. Varios criterios han sido propuestos para evaluar la fluencia en condiciones de esfuerzos multiaxiales. Los más usados se presentan en la figura inferior, para el caso plano.
- Supongamos que aplicamos carga a un miembro de acero hasta llevarlo a la zona de endurecimiento por deformación. Al llegar al punto A, descargamos el miembro completamente hasta llegar al punto B y dejamos pasar un tiempo. Si después de un tiempo volvemos a cargar el miembro, este se cargará elásticamente siguiendo la recta BA. Si no ha pasado mucho tiempo, a partir de A el material retoma la antigua curva esfuerzo-deformación, aumentando su esfuerzo de fluencia al punto A debido a endurecimiento por deformación. Sin embargo, si ha transcurrido suficiente tiempo, en lugar de seguir la antigua curva a partir del punto A, el material seguirá aumentando su esfuerzo con la misma pendiente, hasta llegar a un nuevo esfuerzo de fluencia. Este fenómeno se conoce como “strain aging” y tiene que ver con la reacomodación de las estructuras cristalinas, después de pasado un tiempo de haber llevado el material a la zona de endurecimiento por deformación y descargar. Notar que si bien la resistencia es mayor, la ductilidad también se ve reducida con respecto al valor original.
- La figura ilustra el efecto de la temperatura sobre el comportamiento tensión-deformación del acero. La temperatura creciente favorece el movimiento de las dislocaciones. Como resultado de ello se reducen tanto el límite elástico como la resistencia máxima. En los aceros para estructuras la pérdida de resistencia es pequeña hasta aproximadamente los 300°C. Después existe una pérdida progresiva de resistencia conforme aumenta la temperatura. A 600°C se da una reducción característica de la resistencia del 50% con respecto a la existente a temperatura ambiente.
- La figura muestra el efecto de la velocidad de carga en la tensión de fluencia y la ductilidad del material. Podemos ver que a mayor velocidad de carga se observa una mayor tensión de fluencia, acompañada por una reducción de la deformación de rotura del material, que es proporcional a la ductilidad.
- Los aceros pueden ser clasificados de acuerdo a la cantidad de aleación que contengan. Los ejemplos de acero presentados corresponden a aceros de acuerdo con la denominación ASTM, que son de uso común en varios países.
- Perfiles ángulo, te, canal y W, placas y barras redondas y rectangulares son secciones laminadas producidas comercialmente.
- Tubos circulares y rectangulares son producidos a partir de placas por procesos de plegado y soldadura. Adicionalmente al laminado en caliente, también existen perfiles de pared delgada formados al plegar una plancha de acero. Muy versátiles, son especialmente utilizados en construcciones livianas.
- Debido a sus características, el acero es utilizado en múltiples estructuras como edificios, puentes y estructuras industriales.
- Su bajo peso y alta resistencia lo hacen ideal para estructuras de cáscara y membrana.
- El acero es el material más eficiente en tracción, por lo que es el elegido normalmente para estructuras suspendidas.