ASPECTOS GENERALES DEL ACERO-R5.pdf

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ASPECTOS GENERALES DEL ACERO
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Inesa Adiestramiento Ing. Eliud Hernández
Contenido:
1. Producción del Acero
2. Clasificación de los Aceros
 Composición Química
 Contenido de Óxidos
 Propiedades Mecánicas
 Calidad
3. Diagrama Tensión-Deformación del
Acero
4. Conceptos Fundamentales
 Límite Elástico
 Tensión Cedente
 Tensión de Agotamiento
 Ductilidad
 Tenacidad
 Resiliencia
 Dureza
 Resistencia al Desgarro
 Soldabilidad
5. Perfiles de Acero
 Laminados en Caliente
 Formados en Frío
 Tubulares
 Armados
6. Factores de Sobre-Resistencia y
Tensiones Máximas Esperadas
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1. Producción de Acero
Arrabio Líquido o
Sólido
Hierro Colado o
Fundición Gris
%
75
.
3
%
5
.
2 
 C
Proceso de
Pudelado BOF
Convertidor
Bessemer
Hornos de
Hogar
Abierto
Hornos de
Arco
Eléctrico
Hornos de
Refinación
Cubilote
Hierro Dulce
%
1
.
0
C <
Acero al Carbón
%
0
.
2
%
1
.
0 

 C
Colados de Hierro
Maleable
%
5
.
2
%
0
.
2 
 C
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Desde el punto de vista tecnológico existen tres tipos fundamentales de
procesos:
1) Por soplado, en el cual todo el calor procede del calor inicial de los materiales
de carga, principalmente en estado de fusión. Proceso por soplado, Bessemer ácido
y Thomas básico
2) Con horno de solera abierta, en el cual la mayor parte del calor proviene de la
combustión del gas o aceite pesado utilizado como combustible; el éxito de este
proceso se basa en los recuperadores de calor para calentar el aire y así alcanzar
las altas temperaturas eficaces para la fusión de la carga del horno. Proceso sobre
solera, básico y ácido
3) Eléctrico, en el cual la fuente de calor más importante procede de la energía
eléctrica ( arco, resistencia o ambos ); este calor puede obtenerse en presencia o
ausencia de oxígeno; por ello los hornos eléctricos pueden trabajar en atmósferas no
oxidantes o neutras y también en vacío, condición preferida cuando se utilizan
aleaciones que contienen proporciones importantes de elementos oxidables.
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Rampa de
Carga
Materia Prima
Mineral de Hierro
Coque
Caliza
Fundante
Coque
Mena
Tragante
Vientre
Tolva
Arrabio
Escoria
Pared de
Ladrillos
Refractarios
Salida de
Gases
300°C
900°C
1.200°C
1.800°C
Esquemas de
Alto Horno
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Esquemas de
Horno Básico
de Oxígeno
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Esquemas de
Horno de Arco
Eléctrico
Bóveda
Inyector de
Carbón Electrodos
de Grafito
Inyector de
Oxígeno
Piquera, Salida de
Metal Fundido
Metal
Fundido y
Escoria
Inyector de
Oxígeno
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En general los Aceros pueden clasificarse según:
a) Su Composición Química.
b) Su Contenido de Oxidos.
c) Sus Propiedades Mecánicas
d) Su Calidad.
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a) Composición Química de los Aceros
De acuerdo con su composición química, los aceros pueden ser sin alear,
semialeados y aleados. Las aleaciones influyen en las propiedades del acero. Entre
los metales de aleación se pueden citar el cobre (Cu), el níquel (Ni), el aluminio (Al),
el manganeso (Mn) y el cromo (Cr). El fósforo y el azufre generalmente se segregan,
ya que constituyen impurezas difíciles de eliminar.
El cromo mejora notablemente la resistencia a la corrosión y al desgaste, así
como el cobre incrementa su ductilidad y también mejora la resistencia a la
corrosión. El manganeso facilita la soldabilidad y el molibdeno permite una mejor
deformación en frío, el níquel incrementa la resistencia a la tracción y el aluminio le
confiere al material características de no envejecimiento y una estructura de grano
fino, con buenas propiedades de soldabilidad.
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b) Contenido de Óxidos
Según el contenido de óxidos se tienen aceros efervescentes, semicalmados y
calmados.
Aceros efervescentes: Cuando la desoxidación del acero líquido resulta débil, se
obtienen metales con alto grado de segregación y concentración de elementos.
Evidencia de ello es la formación en el lingote de una piel exterior relativamente pura
durante su solidificación y enfriamiento, mientras que en el interior de la masa su
composición química se ve alterada por impurezas tales como el azufre y el fósforo,
que debilitan el acero, disminuyendo su calidad y haciéndolo poco apto para soldar.
Aceros semicalmados: son los aceros parcialmente desoxidados con propiedades
intermedias entre los efervescentes y los calmados. Se usan preferentemente en la
fabricación de perfiles estructurales, barras y planchas.
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b) Contenido de Óxidos
Aceros calmados: son los aceros completamente desoxidados, en los cuales no
existen reacciones posteriores del carbono con el oxígeno, durante la solidificación
y conformación de lingotes. Estos aceros presentan una estructura cristalina
homogénea, de composición química uniforme, apta para la fabricación de tubos
sin costura, rieles y piezas forjadas. Los aceros calmados ofrecen excelentes
características mecánicas, buenas posibilidades de ser soldados y gran ductilidad.
A fines estructurales, se los emplea generalmente en perfiles de espesor
considerable, que deban soportar fuertes solicitaciones.
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c) Propiedades Mecánicas
Según sus propiedades mecánicas, los aceros se clasifican en acero común
(acero dulce), acero de alta resistencia y aceros especiales.
Las propiedades mecánicas de los aceros dependen de su composición
química, de sus aleaciones, de su proceso de laminación, forma de enfriamiento,
tratamiento térmico posterior y el tipo de solicitaciones a que sean sometidos. Las
siguientes propiedades, sin embargo, son comunes a todos los aceros:
 Peso especifico (g): 7850 Kg/m3
 Módulo de Elasticidad Longitudinal (E): 2.100.000 Kg/cm2
 Módulo de Elasticidad Transversal o de corte (G): E/2(1+ )
 Coeficiente de Poisson (): 0.3 (en el rango elástico) y 0.5 (en rango plástico)
 Coeficiente de dilatación térmica (): 11.7 x 10-6/°C
Valores expresados en sistema métrico MKS
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d) Calidad de los Aceros
Acero Común: también conocido por acero dulce o acero al carbono, fue por
muchos años el material más usado en la construcción. Es un acero con bajo
contenido de carbono (entre el 0.12% y 0.60% en peso). Entre estos aceros están el
AE25, ASTM A36 y Din ST37. La variación en el contenido de carbono resulta decisiva
en las propiedades mecánicas de los diferentes aceros.
Aceros de Alta Resistencia: Son aquellos que han incrementado notablemente su
punto de cedencia, por contenidos elevados de carbono (entre 1.4% y 1.7% en
peso) o por aleaciones adecuadas, su ductilidad se ve drásticamente disminuida. En
algunos casos, las elevadas resistencias se logran mediante tratamientos térmicos y
templados, o por trabajos en frio.
Aceros Especiales: Se fabrican con sofisticadas aleaciones, para cubrir
necesidades específicas, y no todos son adecuados para su aplicación estructural.
Por ejemplo, los aceros de los cascos de submarinos, naves especiales o los usados
para la construcción de máquinas de alta precisión.
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d) Calidad de los Aceros
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3. Diagrama Tensión – Deformación del Acero
El diseño de elementos estructurales implica determinar la resistencia y rigidez
del material estructural, estas propiedades se pueden relacionar si se evalúa una
barra sometida a una fuerza axial para la cual se registra simultáneamente la fuerza
aplicada y el alargamiento producido. Estos valores permiten determinar la tensión y
la deformación que al graficar originan el denominado diagrama de tensión-
deformación.
Los diagramas son similares si se trata del mismo material y de manera general
permite agrupar los materiales dentro de dos categorías con propiedades afines que
se denominan materiales dúctiles y materiales frágiles. Los diagramas de materiales
dúctiles se caracterizan por ser capaces de resistir grandes deformaciones antes de
la rotura, mientras que los frágiles presenta un alargamiento bajo cuando llegan al
punto de rotura.
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El diagrama Tensión-Deformación resulta de la representación gráfica del ensayo
de tracción, normalizado, el cual consiste en someter a una probeta de acero
normalizada a un esfuerzo creciente de tracción según su eje hasta la rotura de la
misma. El ensayo de tracción permite el cálculo de diversas propiedades mecánicas
del acero.
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B
C
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DL/Lo
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Lo
F
So
F
La probeta de acero empleada en el
ensayo consiste en una pieza cilíndrica cuyas
dimensiones guardan la siguiente relación de
proporcionalidad:
L0= 5.65 x √S0
Donde L0 es la longitud inicial, S0 es la
sección inicial y D0 es el diámetro inicial de la
probeta. Para llevar a cabo el ensayo de
tracción, las anteriores variables pueden tomar
los siguientes valores:
D0 = 20 mm, L0 = 100 mm, o bien,
D0 = 10 mm, L0 = 50 mm.
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El ensayo comienza aplicando gradualmente la fuerza de tracción a la probeta,
lo cual provoca que el recorrido inicial en la gráfica discurra por la línea recta que
une el origen de coordenadas con el punto A.
Hasta llegar al punto A se conserva una proporcionalidad entre la tensión
alcanzada y el alargamiento unitario producido en la pieza. Es lo que se conoce
como Ley de Hooke, que relaciona linealmente tensiones con las deformaciones a
través del modulo de elasticidad E, constante para cada material que en el caso de
los aceros y fundiciones vale aproximadamente 2.100.000 Kg/cm2.
Otra particularidad de este tramo es que al cesar la solicitación sobre la pieza,
ésta recupera su longitud inicial. Es decir, se comporta de manera elástica, y el
punto A se denomina Límite de Proporcionalidad.
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Pasado el punto A y hasta llegar al punto B, los alargamiento producidos incluso
crecen de manera más rápida con la tensión, y se cumple que al cesar la carga, la
pieza recupera de nuevo su geometría inicial, es decir, se sigue comportando
elásticamente. El punto B marca el límite a este comportamiento, y por ello al punto
B se le denomina Límite Elástico.
Traspasado el punto B el material pasa a comportarse de manera plástica, es
decir, que no recupera su longitud inicial, quedando una deformación remanente al
cesar la carga. De esta manera, el proceso de descarga se realiza siguiendo la
trayectoria según la línea punteada mostrada del diagrama tensión-deformación,
que como se ve, corta al eje de deformaciones, ΔL/L0, a una cierta distancia del
origen, que se corresponde con la deformación remanente que queda.
Concretamente, el punto B o Límite Elástico es aquel que le corresponde una
deformación remanente del 0.2%.
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Si se sigue aplicando carga se llega al punto C, donde a partir de aquí y hasta el
punto D, las deformaciones crecen de manera rápida mientras que la carga fluctúa
entre dos valores, llamados límites de fluencia, superior e inferior. Este nueva
posición, denominada de fluencia, es característica exclusivamente de los aceros
dúctiles, no apareciendo en los aceros endurecidos.
Más allá del punto de fluencia D es necesario seguir aplicando un aumento de la
carga para conseguir un pronunciado aumento del alargamiento. Entramos ya en la
zona de las grandes deformaciones plásticas hasta alcanzar el punto F, donde la
carga alcanza su valor máximo, lo que dividida por el área inicial de la probeta
proporciona la tensión máxima de rotura o resistencia a la tracción.
A partir del punto E tiene lugar el fenómeno de estricción de la probeta,
consistente en una reducción de la sección en la zona de la rotura, y el responsable
del periodo de bajada del diagrama, dado que al reducirse el valor de la sección
real, el valor de la carga aplicado a partir del punto E también se va reduciendo
hasta alcanzar el punto F de rotura.
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a) Limite Elástico
Se define como la tensión máxima que un material puede soportar sin sufrir
deformaciones permanentes. Si se aplican tensiones superiores a este límite, el
material experimenta un comportamiento plástico con deformaciones
permanentes y no recupera espontáneamente su forma original al retirar las cargas.
En general, un material sometido a tensiones inferiores a su límite de elasticidad es
deformado temporalmente de acuerdo con la Ley de Hooke. La deformación del
acero asociada al límite elástico es de 0.002.
Determinación del límite
elástico convencional.
0,002
𝑭𝒚

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b) Tensión Cedente, Fy
Es la tensión asociada al punto donde el material alcanza su límite elástico
c) Tensión de Agotamiento, Fu
Es la tensión asociada al punto en el cual el material alcanza su rotura y deformación
última.
d) Ductilidad
Se define como la capacidad que tiene un material de deformarse de manera estable.
En otros términos, un material es dúctil cuando la relación entre el alargamiento
longitudinal producido por una tracción y la disminución de la sección transversal es muy
elevada.
e) Tenacidad
Se define como la capacidad que tiene un material de absorber energía antes de
alcanzar la rotura
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f) Resiliencia
Se define como la energía de deformación (por unidad de volumen) que puede ser
recuperada de un cuerpo deformado cuando cesa el esfuerzo que causa la deformación.
g) Dureza
Es una propiedad que mide la capacidad de resistencia que ofrecen los materiales a
procesos de abrasión, desgaste, penetración o de rallado. Para medir la dureza de un
material se emplea un tipo de ensayo consistente en calibrar la resistencia de un material
a la penetración de un punzón o una cuchilla que se usa como indentador. Este
indentador usualmente consta en su extremo, o bien de una esfera, o bien de una pieza
en forma de pirámide, o en forma de cono y que está compuesto de un material mucho
más duro que el acero que se está midiendo. La profundidad de la entalla que produce en
el acero al ser rallado por este penetrador nos dará una medida de la dureza del material.
Existen varios métodos para calibrar la dureza de un material, siendo el método Brinell y el
método Rockwell los más comunes.
h) Resistencia al Desgarro
Se define como la energía de deformación (por unidad de volumen) que puede ser
recuperada de un cuerpo deformado cuando cesa el esfuerzo que causa la deformación.
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i) Soldabilidad
Mide la capacidad que tiene un acero a ser soldado, y que va a depender tanto
de las características del metal base, como del material de aporte empleado. Un
parámetro útil para evaluar la soldabilidad de los aceros es el concepto de
CARBONO EQUIVALENTE (CEV), que equipara las soldabilidades relativas de
diferentes aleaciones de acero y las compara con las propiedades de un acero al
carbono simple. A continuación se presenta la ecuación desarrollada por el Instituto
Internacional de Soldadura, y cuya expresión es la siguiente, donde los contenidos
de los elementos químicos se expresan en tanto por ciento (%):
A medida que se eleva el contenido equivalente de carbono, la soldabilidad de
la aleación de acero que se trate decrece; como regla general, un acero se
considera soldable si el carbono equivalente, obtenido según la fórmula anterior, es
menor a 0,4%.
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Cu
Ni
5
V
Mo
Cr
6
Mn
C
CEV







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En términos de la fabricación, los perfiles comerciales se clasifican en:
a) Perfiles Laminados en Caliente
Estos perfiles se obtienen a través de los lingotes de coladas continuas, que son
posteriormente tratados y conformados mediante laminadoras hasta darles la forma
y dimensiones finales. Para esto los lingotes en caliente deben pasar a través de
rodillos que comprimen el material, dándole la forma transversal deseada. Luego los
perfiles son cortados en dimensiones estándar.
Perfiles doble T con alas
de espesor variable
Ejemplo: IPN
Perfiles doble T con alas
de espesor constante
Ejemplo: HEB; HEA; IPE
Perfiles angulares de
alas iguales “L”
Perfiles tipo “canal o “U”
Ejemplo: UPN; UPEL; C
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b) Perfiles Formados en Frío
Estos se obtienen doblando láminas muy finas en la forma deseada (sin
calentarlas). Su uso se restringe al caso de solicitaciones de limitada magnitud. Una
de las ventajas de estas secciones es su versatilidad ya que casi cualquier forma
puede ser lograda. Adicionalmente, este proceso incrementa el esfuerzo cedente
“fy” pero disminuye su ductilidad. Sus espesores delgados generan problemas de
pandeo local.
Perfil tipo “Z” Perfil tipo “C”
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c) Perfiles Tubulares
Las secciones huecas de acero circulares, cuadradas y rectangulares se
fabrican de dos formas:
 Secciones Tubulares de Acero Con o Sin Costura: Los tubos con costura se
fabrican curvando las placas (sin calentarlas) en la forma deseada y
soldando la unión posteriormente, bien en forma de espiral o recta. Los tubos
sin costura son el resultado de un trabajo en caliente posterior.
 Secciones Tubulares de Hierro Centrifugado: Se fabrican colando el metal y
luego logrando la dimensión deseada.
x
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y
y
d
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B x
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x Ø x
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PERFILES TUBULARES
CUADRADO RECTANGULAR REDONDO
PERFILES SOLDADOS Y ELECTROSOLDADOS
CS ó CP VS ó VP
UPN, UPEL, UPL y C IPN L
HEA, HEB, W IPE
d
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x
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df
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d) Perfiles Soldados y/o Electrosoldados.
Estos se obtienen a través de la unión de planchas soldadas entre sí, pudiendo
adoptar una gran cantidad de formas según las necesidades del diseño.
Adicionalmente, se pueden crear perfiles compuestos.
Ejemplos: VP; CP
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Adicionalmente, se pueden fabricar secciones compuestas:
Soldadura
Corte Diagonal
Combinaciones de Perfiles "U" Planchas de
Refuerzo
Soldadura
IC OC ICE OCE
Empresilladas
XL
TL
OL
Combinaciones de Perfiles "L"
Combinaciones de Perfiles "I"
SECCIONES COMPUESTAS
Planchas de
Refuerzo Perfil "U"
Combinaciones usadas como
columnas para lograr mayor
rigidez en el plano débil
Soldadura Intermitente
Soldadura
Corte Diagonal
Combinaciones de Perfiles "U" Planchas de
Refuerzo
Soldadura
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6. Factores de Sobre-Resistencia y Tensiones Esperadas
Para el diseño sismo-resistente, conforme al tipo de acero, se consideran factores
de sobre-resistencia del material a fin estimar la capacidad máxima probable de los
miembros que incursionan en el rango inelástico:
Ry = Factor mínimo de sobre-Resistencia cedente.
Rt = Factor mínimo de sobre-Resistencia última.
Tensión cedente esperada = Ry Fy
Tensión última esperada = Rt Fu
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6. Factores de Sobre-Resistencia y Tensiones Esperadas
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