El Acero

EL ACERO
FABRICACION, PRODUCTOS Y APLICACIONES
Republica Bolivariana de Venezuela
Ministerio del Poder Popular Para la Defensa Integral
Universidad Nacional Experimental De las Fuerzas Armadas
(UNEFA)
Guatire, septiembre del 2017
Docente: Ángel Pérez Alumnos: Isaac Ruiz

Antecedente Históricos
No se conoce con exactitud la fecha en que se descubrió la técnica de fundir mineral de hierro para producir
un metal susceptible de ser utilizado. Los primeros utensilios de hierro descubiertos por los arqueólogos en
Egipto datan del año 3.000 a.C., y se sabe que antes de esa época se empleaban adornos de hierro. Los griegos
ya conocían hacia el 1.000 a.C. la técnica, de cierta complejidad, para endurecer armas de hierro mediante
tratamiento térmico.
Las aleaciones producidas por los primeros artesanos del hierro (y, de hecho, todas las aleaciones de hierro
fabricadas hasta el siglo XIV d.C.) se clasificarían en la actualidad como hierro forjado. Para producir esas
aleaciones se calentaba una masa de mineral de hierro y carbón vegetal en un horno o forja con tiro forzado.
Ese tratamiento reducía el mineral a una masa esponjosa de hierro metálico llena de una escoria formada por
impurezas metálicas y cenizas de carbón vegetal. Esta esponja de hierro se retiraba mientras permanecía
incandescente y se golpeaba con pesados martillos para expulsar la escoria y soldar y consolidar el hierro. El
hierro producido en esas condiciones solía contener un 3% de partículas de escoria y un 0,1% de otras
impurezas. En ocasiones esta técnica de fabricación producía accidentalmente auténtico acero en lugar de
hierro forjado. Los artesanos del hierro aprendieron a fabricar acero calentando hierro forjado y carbón vegetal
en recipientes de arcilla durante varios días, con lo que el hierro absorbía suficiente carbono para convertirse
en acero auténtico.

Después del siglo XIV se aumentó el tamaño de los hornos utilizados para la fundición y se incrementó el tiro
para forzar el paso de los gases de combustión por la carga o mezcla de materias primas. En estos hornos de
mayor tamaño el mineral de hierro de la parte superior del horno se reducía a hierro metálico y a continuación
absorbía más carbono como resultado de los gases que lo atravesaban. El producto de estos hornos era el
llamado arrabio, una aleación que funde a una temperatura menor que el acero o el hierro forjado. El arrabio
se refinaba después para fabricar acero.
El arrabio es el primer proceso que se realiza para obtener Acero, los materiales básicos empleados son
Mineral de Hierro, Coque y Caliza. El coque se quema como combustible para calentar el horno, y al arder
libera monóxido de carbono, que se combina con los óxidos de hierro del mineral y los reduce a hierro
metálico.
La ecuación de la reacción química fundamental de un alto horno es:
Fe2O3 + 3 CO => 3 CO2 + 2 Fe
Antecedente Históricos

Mineral de Hierro
Se utilizan 2 tipos de Minerales de Hierro, las Granzas y los Pellets Básicos.
Coque: La mezcla de carbones metalúrgicos se somete a un proceso de destilación seca que lo transforma en
coque metalúrgico. Este proceso se realiza en la Planta de Coque. La coquificación del carbón mineral deja,
como subproducto, gas de alto poder calorífico, que es utilizado como combustible en los diversos procesos de
la industria.
Procesos y Minerales
Planta de coque

Caliza: se extrae de una Mina, La caliza de la carga del horno se emplea como fuente adicional de monóxido
de carbón y como sustancia fundente. Este material se combina con la sílice presente en el mineral (que no se
funde a las temperaturas del horno) para formar silicato de calcio, de menor punto de fusión. Sin la caliza se
formaría silicato de hierro, con lo que se perdería hierro metálico. El silicato de calcio y otras impurezas forman
una escoria que flota sobre el metal fundido en la parte inferior del horno. El arrabio producido en los altos
hornos tiene la siguiente composición: un 92% de hierro, un 3 o 4% de carbono, entre 0,5 y 3% de silicio, del
0,25% al 2,5% de manganeso, del 0,04 al 2% de fósforo y algunas partículas de azufre.
Procesos y Minerales

Planta siderúrgica y Alto Horno
Planta siderúrgica Alto Horno

ALTO HORNO es virtualmente una planta química que reduce
continuamente el hierro del mineral. Químicamente desprende el
oxígeno del óxido de hierro existente en el mineral para liberar el
hierro.
Está formado por una cápsula cilíndrica de acero forrada con un
material no metálico y resistente al calor, como ladrillos refractarios
y placas refrigerantes. El diámetro de la cápsula disminuye hacia
arriba y hacia abajo, y es máximo en un punto situado
aproximadamente a una cuarta parte de su altura total. La parte
inferior del horno está dotada de varias aberturas tubulares
llamadas toberas, por donde se fuerza el paso del aire. Cerca del
fondo se encuentra un orificio por el que fluye el arrabio cuando se
sangra (o vacía) el alto horno. Encima de ese orificio, pero debajo de
las toberas, hay otro agujero para retirar la escoria. La parte
superior del horno, cuya altura es de unos 30 m, contiene
respiraderos para los gases de escape, y un par de tolvas redondas,
cerradas por válvulas en forma de campana, por las que se
introduce la carga en el horno. Los materiales se llevan hasta las
tolvas en pequeñas vagonetas o cucharas que se suben por un
elevador inclinado situado en el exterior del horno.
Proceso siderúrgico

Las materias primas se cargan (o se vacían) en la parte superior del horno. El aire, que ha sido precalentado
hasta los 1.030ºC aproximadamente, es forzado dentro de la base del horno para quemar el coque. El coque en
combustión genera el intenso calor requerido para fundir el mineral y produce los gases necesarios para
separar el hierro del mineral. En forma muy simplificada las reacciones son:
Los altos hornos funcionan de forma continua. La materia prima que se va a introducir en el horno se divide en
un determinado número de pequeñas cargas que se introducen a intervalos de entre 10 y 15 minutos. La
escoria que flota sobre el metal fundido se retira una vez cada dos horas, y el arrabio se sangra cinco veces al
día.

Vaciado de Arrabio
El arrabio se vacía a uno o más carros torpedos para ser trasladado al área de Acería, cada carro es capaz de
contener 200 toneladas de Arrabio.
Vaciado de Arrabio en Carro Torpedo

Cada cinco o seis horas, se cuelan desde la parte interior del horno hacia una olla de colada o a un carro de
metal caliente, entre 150 a 375 toneladas de arrabio. Luego se transportan a un horno de fabricación de acero.
La escoria flotante sobre el hierro fundido en el horno se drena separadamente. Cualquier escoria o sobrante
que salga del horno junto con el metal se elimina antes de llegar al recipiente. A continuación, el contenedor
lleno de arrabio setransporta a la fábrica siderúrgica (Acería).
Transporte de Arrabio a Acería El carro Torpedo una vez cargado con el Arrabio, se dirige hacia la Acería donde
seguirá el proceso de refinado hasta obtener el Acero de Alta Calidad.

Los altos hornos modernos funcionan en combinación con hornos básicos de oxígeno o
convertidores al oxígeno, y a veces con hornos de crisol abierto, más antiguos, como parte de una
única planta siderúrgica. En esas plantas, los hornos siderúrgicos se cargan con arrabio. El metal
fundido procedente de diversos altos hornos puede mezclarse en una gran cuchara antes de
convertirlo en acero con el fin de minimizar el efecto de posibles irregularidades de alguno de los
hornos. El arrabio recién producido contiene demasiado carbono y demasiadas impurezas para ser
provechoso. Debe ser refinado, porque esencialmente, el acero es hierro altamente refinado que
contiene menos de un 2% de carbono. El hierro recién colado se denomina "arrabio". El oxígeno ha
sido removido, pero aún contiene demasiado carbono (aproximadamente un 4%) y demasiadas
impurezas (silicio, azufre, manganeso y fósforo) como para ser útil, para eso debe ser refinado,
porque esencialmente el acero es hierro altamente refinado que contiene menos de un 2% de
carbono.
La fabricación del acero a partir del arrabio implica no sólo la remoción del carbono para llevarlo al
nivel deseado, sino también la remoción o reducción de las impurezas que contiene.
Se pueden emplear varios procesos de fabricación de acero para purificar o refinar el arrabio; es
decir, para remover sus impurezas. Cada uno de ellos incluye el proceso básico de oxidación.
El aire insuflado en el alto horno se precalienta a una temperatura aproximada de 1.030 ºC.
El calentamiento se realiza en las llamadas estufas, cilindros con estructuras de ladrillo
refractario. El ladrillo se calienta durante varias horas quemando gas de alto horno, que son
los gases de escape que salen de la parte superior del horno. Después se apaga la llama y
se hace pasar el aire a presión por la estufa. El peso del aire empleado en un alto horno
supera el peso total de las demás materias primas.
Esencialmente, el CO gaseoso a altas temperaturas tiene una mayor atracción por el oxígeno
presente en el mineral de hierro (Fe2O3) que el hierro mismo, de modo que reaccionará con
él para liberarlo. Químicamente entonces, el hierro se ha reducido en el mineral. Mientras
tanto, a alta temperatura, la piedra caliza fundida se convierte en cal, la cual se combina con
el azufre y otras impurezas. Esto forma una escoria que flota encima del hierro derretido.
Después de la II Guerra Mundial se introdujo un importante avance en la tecnología de altos
hornos: la presurización de los hornos. Estrangulando el flujo de gas de los respiraderos del
horno es posible aumentar la presión del interior del horno hasta 1,7 atmósferas o más. La
técnica de presurización permite una mejor combustión del coque y una mayor producción de
hierro. En muchos altos hornos puede lograrse un aumento de la producción de un 25%. En
instalaciones experimentales también se ha demostrado que la producción se incrementa
enriqueciendo el aire con oxígeno.
REFINACION DEL ARRABIO: En el alto horno, el oxígeno fue removido del mineral por la acción del
CO (monóxido de carbono) gaseoso, el cual se combinó con los átomos de oxígeno en el mineral
para terminar como CO2 gaseoso (dióxido de carbono). Ahora, el oxígeno se empleará para
remover el exceso de carbono del arrabio. A alta temperatura, los átomos de carbono (C) disueltos
en el hierro fundido se combinan con el oxígeno para producir monóxido de carbono gaseoso y de
este modo remover el carbono mediante el proceso de oxidación. En forma simplificada la reacción
es :

Se cuenta con dos convertidores de 100 toneladas cada uno. El arrabio proveniente de los Altos Hornos se
carga junto con chatarra de acero. Por la acción del oxígeno puro que se inyecta al convertidor se oxidan el
carbono, silicio y fósforo del arrabio. Estas reacciones son exotérmicas y causan la fusión de la carga metálica
fría sin necesidad de agregar ningún combustible y, por adición de cal, se forma la escoria en que se fijan las
impurezas oxidadas. Se agregan también las ferroaleaciones que imparten las características principales a los
diversos tipos de aceros.
El tiempo requerido para procesar una hornada de 100 toneladas en aproximadamente 50 minutos. El acero
líquido así producido se recibe en cucharadas de 100 toneladas de capacidad. Este acero puede enviarse a la
colada continua o vaciarse en moldes para fabricar los lingotes que se envían al Laminador Devastador.

Planchones
Palanquillas

Colada Continua de Planchones
El acero liquido de la cuchara es vaciado a una artesa que se comunica por el fondo con un molde en constante
movimiento que es enfriado por agua; en el se inicia el proceso de solidificación del acero que se completa a lo
largo del trayecto por el interior de la máquina.
El planchón que se produce es una cinta continua con un espesor de 156 mm., un ancho que varía entre 800 y
1.050 mm. y que a la salida se va cortando a los largos requeridos.

Propiedades mecánicas del acero
en función de la temperatura
En el diagrama:
• E= Módulo de elasticidad [
Kg/mm2 ]
• μ= Módulo de Poisson
• σr = Tensión de ruptura por
tracción [ Kg/mm2 ]
• σf = Tensiónde fluencia para
acero de dureza natural
[ Kg/mm2 ]
• σP =Tensión límite de
proporcionalidad para acero
estirado en frío [ Kg/mm2 ]
• t°= Temperatura en ° Celsius.

Características del acero
Color blanco grisáceo.
Fusibilidad punto de fusión muy alto (1300ºC a 1530ºC).
Peso específico pesado (7,6 - 7,8 gr/cm3).
Toxicidad (c. normales) no es tóxico.

Propiedades importantes del Acero
Muy dúctil, se deforma elásticamente
Muy tenaz, absorbe energía sin romperse
Maleable, se puede forjar.
Se puede soldar.
Conductividad conduce el calor y la electricidad, pero
no más que el Hierro.
P. químicas se oxida totalmente, excepto los aceros
especiales inoxidables.
Magnetismo posee propiedades magnéticas. Algunos
pueden convertirse en
imanes permanentes.

Influencia de elementos aleantes
Los constituyentes de aleación son divididos en carburos, austenita y
ferrita.
Según su contenido cada elemento aleante otorga propiedades
específicas al acero. Cuando varios elementos están presentes, el
efecto puede ser mayor. Hay sin embargo, composiciones de aleación
para las cuales los elementos individuales no ejercen su influencia con
respecto a una cierta propiedad en la misma dirección, sino se
contrarrestan el uno al otro.
La sola presencia de los elementos aleantes crean los requisitos
previos para las propiedades deseadas, pero son las operaciones de
procesamiento y tratamiento térmico los que permiten lograrlos.

Principales efectos de los elementos de
aleación

Clasificación de aceros en función de su
composición química
Existen varios tipos de aceros, pero en general se pueden clasificar en:
Aceros al carbono
Son aceros que sólo tienen carbono y no poseen otros elementos de aleación (en proporciones significativas).
· Aceros de bajo carbono (%C < 0,25)
· Aceros de medio carbono (0.25 < % < C 0,55)
· Aceros de alto carbono (2 >% C > 0,55)
Aceros aleados
Son aceros que poseen además del carbono, otros elementos de aleación.
· Aceros de baja aleación (elementos aleantes < 5%).
· Aceros de alta aleación (elementos aleantes > 5%).

Norma AISI / SAE
Las especificaciones AISI pueden incluir un prefijo literal para indicar el
proceso de manufactura. Las especificaciones SAE emplean las mismas
designaciones numéricas que las AISI, pero eliminando todos los
prefijos literales.
XX : %C x 100
Y : En el caso de aceros de aleación simple, indica el porcentaje
aproximado del elemento predominante de aleación.
Z : Tipo de acero (o aleación).
AISI ZYXX

Norma AISI / SAE
Si Z es igual a:
1 : Aceros al Carbono (corriente u ordinario).
2 : Aceros al Níquel
3 : Aceros al Níquel-Cromo
4 : Aceros al Molibdeno, Cr-Mo, Ni-Mo, Ni-Cr-Mo
5 : Aceros al Cromo
6 : Aceros al Cromo-Vanadio
7 : Aceros Al Tungsteno-Cromo
8 : Aceros al Ni-Cr-Mo etc.
Ejemplo: Acero AISI 1020 0 :
1 : Acero corriente u ordinario
0 : No aleado
20 : 0,20 %C

Definición de letras adicionales (norma AISI)
E . . . . Fusión en horno eléctrico básico.
. . . . H Grados de acero con templabilidad garantizada.
C . . . . Fusión en horno por arco eléctrico básico.
. . B . . Grados de acero con un probable contenido mayor de 0.0005%
boro.
. . . LC Grados de acero con extra- bajo carbono (0.03% máx.).

Definición de aceros (norma AISI)

Norma AISI para aceros inoxidables
La norma AISI, especifica a los aceros inoxidables utilizando 3 números:
Inoxidables martensíticos:
· 4XX : Base Cr. Medio-alto carbono.
· 5XX : Base Cr, Mo. Bajo carbono.
Ejemplos : 410, 416, 431, 440, 501, 502, 503, 504.
Inoxidables ferríticos:
· 4XX : Base Cr. Bajo carbono.
Ejemplos : 430, 442, 446.
Inoxidables austeníticos:
· 3XX : Base Cr, Ni. Bajo carbono.
· 2XX : Base Cr, Ni, Mn. Bajo carbono.
Ejemplos : 302, 304, 316, 303, 202.

Norma AISI: aceros para herramientas

UNS (sistema de numeración unificado)
• Axxxxx aluminio y aleaciones de aluminio
• Cxxxxx cobre y aleaciones de cobre
• Exxxxx tierras raras y metales similares y aleaciones
• Fxxxxx hierro fundido
• Gxxxx aceros aleados y al carbono AISI y SAE
• Hxxxx aceros con templabilidad garantizada AISI Y SAE.
• Jxxxxx aceros fundidos (excepto aceros para herramientas).
• Kxxxxx diversos aceros y aleaciones base hierro.
• Lxxxxx metales y aleaciones de bajo punto de fusión.
• Mxxxxx varios metales y aleaciones no ferrosas.
• Nxxxxx níquel y aleaciones de níquel.
• Pxxxxx metales preciosos y aleaciones.
• Rxxxxx metales y aleaciones reactivas y refractarias.
• Sxxxxx aceros resistentes a la corrosión y temperatura (incluyendo inoxidables), aceros para válvulas y súper aleaciones base hierro.
• Txxxxx acero para herramientas, forjado y fundido
• Wxxxx metal de aportación de soldadura
• Zxxxxx Zinc y aleaciones de Zinc

Designación sistemática del acero de acuerdo con UNS

Clasificación de las fundiciones
Según las propiedades deseadas, las fundiciones se clasifican en:
• Fundición gris
• Fundición nodular (esferoidal)
• Fundición Blanca y maleable

Fundición gris
La fundición gris se emplea para piezas de forma complicada y de
espesores pequeños con bajas exigencias mecánicas, como carcasas,
bases de máquinas (absorción de vibraciones), calefacciones, tambores
y discos de freno.
Características
• Material frágil y poco resistente a la tracción
• Soportan muy bien las vibraciones, por eso se
emplean para realizar las bancadas de las
máquinas.
• Gran facilidad para ser moldeados. Pueden
obtenerse piezas de formas muy complejas por
moldeo.
• Gran resistencia al desgaste.
• Es uno de los materiales férricos más baratos.

Fundición nodular (esferoidal)
Este tipo de material parte de la fundición gris a la que se le añaden pequeñas
cantidades de Magnesio y/o Cesio. Tienen el grafito en forma de nódulos de forma
sensiblemente esférica, por lo que se llama la fundición nodular o esferoidal. Las
propiedades mecánicas son similares a la de fundición gris, excepto que son más
resistentes y dúctiles que éstas.
La fundición esferoidal se utiliza para elementos de construcción que deban poseer
una dureza, elasticidad y resistencia mecánicas altas, como mesas de máquinas o
herramientas que deben soportar grandes pesos de piezas y absorber fuerzas de
mecanizados importantes. Como: engranajes, cigüeñales, brazos de suspensión,
portamanguetas, puentes traseros de camiones, entre otros.

Fundición blanca
La fundición blanca tiene bajos contenidos de Carbono y una velocidad
de enfriamiento muy alta. Estas son algunas de sus características:
Las aplicaciones más importantes surgen en las piezas que han de tener
una resistencia al desgaste superficial importante, como boquillas de
proyección de arena, rodillos para triturar, cilindros para laminar, entre
otros.
Se llama fundición blanca porque presenta este color en la superficie de rotura.
Extremadamente dura y frágil, hasta el punto de no poderse mecanizar.
Gran resistencia al desgaste.
Resistencia relativamente alta

Cambios alotrópicos del hierro
•Hierro α: 20-767 C, CC (CCB), magnético.
•Hierro β: 767-907 C, CC (CCB), ligeramente magnético.
•Hierro γ: 907-1401 C, CCC (CCF) amagnético.
•Hierro δ: 1401-1537 C, CC (CCB), magnético.

Cambios alotrópicos del hierro

Cambios alotrópicos del hierro (Gamma)

Cambios alotrópicos del hierro (Delta)

Estructuras de los aceros
Debajo de 723 C :
•Ferrita (Fe)
•Grafito (C)
•Cementita (Fe3C)
•Perlita
Arriba de 723 C :
•Austenita
•Ledeburita
•Mertensita (Austenita retenida)
Estructuras resultantes
de tratamientos
térmicos:
•Sorbita
•Stelita
•Bainita
•Troostita

ESTRUCTURAS CRISTALINAS DE LOS ACEROS

Contenidos de carbono
• Aceros de bajo contenido de
carbono (aceros estructurales)
0.003-0.89% de C, hipoeutectoide
(ferrita+perlita)
• •Aceros de alto contenido de acero
(aceros de herramientas) 0.89-
1.76% de C, hipereutectoide
(perlita+cementita)
• •Fundición de hierro 1.76-6.65%
de C:
1.76-4.26% de C hipoeutectica
4.26-6.65% de C hipereutectica

Nomenclatura de los aceros
•Existen diferentes clases de nomenclaturas.
•En Estados Unidos existen los sistemas de cuatro digitos AISI y SAE.
•En AISI y SAE el método es numérico, los dos primeros numeros
indican el tipo de aleación.
•Los dos últimos números indican el porcentaje de carbono.
1020
10 20
bajo contenido de C 0.20% de C

aceros transformación hipoeutectoide

aceros transformación eutectoide

aceros transformación hipereutectoide

Tipos de aceros con nomenclatura

Tipos de aceros
Aceros dulce: Cuando el porcentaje de carbono es del 0,25% máximo. Estos aceros tienen una resistencia última de rotura en el rango de
48-55 kg/mm2 y una dureza Brinell en el entorno de 135-160 HB. Son aceros que presentan una buena soldabilidad aplicando la técnica
adecuada.
Aplicaciones: Piezas de resistencia media de buena tenacidad, deformación en frío, embutición, plegado, herrajes, etc.
Aceros semidulce: El porcentaje de carbono está en el entorno del 0,35%. Tiene una resistencia última a la rotura de 55-62 kg/mm2 y una
dureza Brinell de 150-170 HB. Estos aceros bajo un tratamiento térmico por templado pueden alcanzar una resistencia mecánica de hasta
80 kg/mm2 y una dureza de 215-245 HB.
Aplicaciones: Ejes, elementos de maquinaria, piezas resistentes y tenaces, pernos, tornillos, herrajes.
Aceros semiduro: Si el porcentaje de carbono es del 0,45%. Tienen una resistencia a la rotura de 62-70 kg/mm2 y una dureza de 280 HB.
Después de someterlos a un tratamiento de templado su resistencia mecánica puede aumentar hasta alcanzar los 90 kg/mm2.
Aplicaciones: Ejes y elementos de máquinas, piezas bastante resistentes, cilindros de motores de explosión, transmisiones, etc.
Aceros duro: El porcentaje de carbono es del 0,55%. Tienen una resistencia mecánica de 70-75 kg/mm2, y una dureza Brinell de 200-220
HB. Bajo un tratamiento de templado estos aceros pueden alcanzar un valor de resistencia de 100 kg/mm2 y una dureza de 275-300 HB.
Aplicaciones: Ejes, transmisiones, tensores y piezas regularmente cargadas y de espesores no muy elevados.

Diagrama Tensión-Deformación
El diagrama tensión-deformación resulta de la representación gráfica del ensayo de tracción, normalizado en UNE-EN 10002-1, y
que 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.
La probeta de acero empleada en el ensayo consiste en una pieza cilíndrica cuyas dimensiones guardan la siguiente relación de
proporcionalidad:
L0= 5,65 · √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, ó bien,
D0 = 10 mm, L0 = 50 mm.

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.
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%.
Si se sigue aplicando carga se llega al punto identificado en la gráfica como 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 nuevo estadio, denominado de
fluencia, es característico 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.

Tablas Esenciales
Valores de la resistencia de la tracción, limite elástico y dureza.
Aceros no aleados laminados en caliente. Aceros soldables de grano fino, en la condición de normalizado.
Aceros soldables de grano fino, laminados termomecanicamente. Aceros con resistencia mejorada a la corrosión atmosférica.
Aceros de alto limite elástico, en la condición de templado y revenido.

Módulo de elastic dad longitudinal o
Módulo de Young
Para comprender el concepto de Módulo de Elasticidad longitudinal del material, se debe partir del ensayo de tracción ya descrito en el apartado 2 de
este tutorial. De esta manera se vio que si sobre una probeta cilíndrica de acero de sección transversal A y longitud inicial L0 se le someta a una tracción
F que actúa a lo largo de su eje, ésta sufrirá, por efecto de la solicitación, un alargamiento de magnitud ΔL.
Para los estadios iniciales donde la deformación es pequeña, ΔL/L0 <<1, se obtiene experimentalmente que hasta que la fuerza aplicada F no alcance
un rango limitado, éste incremento ΔL de la probeta es proporcional a la fuerza aplicada (F), a su longitud original (L0) e inversamente proporcional al
área de su sección transversal (A), es decir que:
ΔL 𝑒𝑠 𝑝𝑟𝑜𝑝𝑜𝑟𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑙 𝑎:
𝐹.𝐿0
𝐴
A esta constante de proporcionalidad, o más bien a su inversa, se designan con las letras E, o también con Y, y se les denomina Módulo de Young o
Módulo de Elasticidad longitudinal, y es una propiedad intrínseca de cada material.
Sustituyendo en la expresión anterior, ésta quedaría como sigue:
ΔL =
1
𝐸
.
𝐹.𝐿0
𝐴
Por otro lado, el cociente F/A representa el nivel tensional o la tensión normal de la pieza σ, y el cociente ΔL/L0 es la deformación unitaria, ε, con lo que
la expresión anterior también puede escribirse de la forma siguiente,
σ = E · ε
que es la expresión conocida como Ley de Hooke.
El Módulo de Elasticidad o Módulo de Young, para el cálculo y diseño de estructuras de acero en el rango elástico, toma convencionalmente el siguiente
valor:
E= 210.000 N/mm2

Módulo de Elasticidad o Módulo de
Young para otros distintos metales

Módulo de elasticidad transversal
El módulo de elasticidad transversal, módulo de cortante o módulo de cizalla G,
para la mayoría de los materiales, y en concreto para los materiales isótropos,
guarda una relación fija con el módulo de elasticidad longitudinal y el coeficiente de
Poisson, según la siguiente expresión:
G=
𝐸
2.(1+𝑣)
Decir tiene que los valores arriba indicados para los Módulos de Elasticidad, E y G,
son valores constantes e iguales a los ya señalados, pero siempre y cuando nos
encontremos trabajando dentro del rango de comportamiento elástico del acero.
Módulo de elasticidad transversal, G, para distintos materiales.

Coeficiente de Poisson
El coeficiente de Poisson corresponde a la razón entre la elongación
longitudinal y a la deformación transversal en el ensayo de tracción.
Alternativamente el coeficiente de Poisson puede calcularse a partir de los
módulos de elasticidad longitudinal y transversal, según la expresión
siguiente:
v=
𝐸
2.𝐺
− 1
Para el acero, toma el siguiente valor:
ν = 0,3
Como en el caso anterior, las expresiones arriba indicadas del coeficiente de
Poisson, ν, son valores constantes siempre dentro del rango de
comportamiento elástico del acero.

Estricción
Para explicar el concepto de estricción en el acero, se debe acudir de
nuevo al ensayo de tracción sobre la probeta cilíndrica normalizada.
Así, se conoce como período de estricción al que se inicia cuando,
una vez se supera el límite de fluencia, se produce una reducción
gradual de la sección en la zona donde ocurrirá la rotura, una
deformación permanente, hasta que se produce definitivamente el
fallo. Es por tanto, un fenómeno que ocurre durante la plasticidad del
acero, y sobretodo típico de los aceros suaves o dúctiles.
La estricción es la responsable del tramo de bajada en la curva
tensión-deformación, y hace que se llegue a la rotura cuando la carga
es inferior a la carga máxima aplicada, diferencia que se acrecienta
con la tenacidad del material.

Resiliencia
Mediante la Resiliencia se mide el grado de tenacidad o de ductilidad del acero a una determinada temperatura (generalmente, se establecen valores de
resiliencia a temperatura ambiente, a 0ºC, o a temperatura de -20ºC).
El ensayo que proporciona el dato de la resiliencia del acero consiste en el ensayo de flexión por choque sobre una probeta Charpa, que es una probeta
entallada de medidas normalizadas según la UNE 7475-1:1992. Mediante dicho ensayo, la resiliencia, medida en julios (J), se determina a una
temperatura prefijada. Frecuentemente, las normas de producto exigen que las probetas absorban una energía de impacto mayor que 27 J a una
temperatura de ensayo prefijada. A dicha temperatura se le denomina entonces T27J.
De tal forma, los aceros se suelen designar identificando su tipo mediante la siguiente nomenclatura que hace referencia a su límite elástico y grado
(referencia a la resiliencia), según el formato siguiente:
S YYY XX,
donde,
YYY indica el límite elástico (en N/mm2)
XX indica las especificaciones de resiliencia de los distintos grados de acero de acuerdo a la siguiente tabla:
siendo t, el espesor nominal de la pieza en mm.
Ejemplo de denominación de acero según el criterio anterior es el S 275 JR.

Tenacidad a la fractura
La tenacidad a la fractura del acero define su capacidad a soportar cualquier solicitación exterior sin que se origine ningún tipo de
fractura en el interior del material. Este es un concepto aparte de la tensión de rotura del material, y ello es así porque, en
ocasiones, la fractura se puede producir con la aplicación de esfuerzos menores que los que marquen la tensión de rotura del
material, o incluso menores que su límite elástico. Y ello es debido porque interiormente el material puede contener pequeñas
grietas o defectos que son el germen del inicio de la fractura.
En efecto, supongamos una pieza sección A0 sometida a un esfuerzo F. El valor de la tensión normal media en cualquier sección
perpendicular al esfuerzo sería σ = F/A0. Pues bien, si la pieza presenta una pequeña grieta o defecto, como puedan ser
inclusiones de elementos extraños, ocurre entonces que alrededor de esta discontinuidad se produce un efecto amplifcador, un
aumento del nivel de tensiones normal a que estaría sometida la pieza.
Para calibrar cuánto se amplifica los niveles de tensiones alrededor de una grieta o discontinuidad se define el Factor de
Intensidad de Tensiones, K, mediante la siguiente expresión general:
K = f · σ · √ ( π · a )
donde:
f = coeficiente adimensional o factor geométrico, que depende de la fuerza aplicada y la geometría de la pieza;
σ = es el valor de la tensión normal aplicada;
a = es el tamaño del defecto. Si el defecto es superficial representa la longitud total de la grieta, mientras que si la grieta es interior,
representa la mitad de su longitud.

Tenacidad a la fractura
Se denomina Tenacidad a la Fractura o intensidad del esfuerzo crítico,
Kc, al valor de K requerido que origina el proceso de fractura en el
interior del material, comenzando en el extremo de la grieta y
propagándose hasta alcanzar la superficie de la pieza ocasionando su
fractura. Es decir, que la fractura ocurre cuando K > Kc. El valor
numérico de Kc dependerá del espesor de la pieza considerada.

Dureza Brinell
La 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.
El método Brinell (ASTM E10) es un tipo de ensayo utilizado para calcular la dureza de los materiales. Consiste en una
esfera de 10 mm de diámetro, usualmente de un acero endurecido, que se presiona contra la superficie del material
objeto de estudio bajo una carga estática de 3.000 kg. El tamaño de la huella nos proporcionará una medida de la dureza,
denominada dureza Brinell, bajo estas condiciones del ensayo.
Para determinar el valor de la dureza Brinell se emplea la ecuación mostrada en la figura siguiente:
donde:
F, es la carga a utilizar, en Kp
D, es el diámetro de la bola (indentador), en mm
d, es el diámetro de la huella dejada en superficie, en mm

A continuación, en la siguiente
tabla se indica, entre otras
propiedades mecánicas, los
valores de dureza para distintos
tipos de acero:
Resistencia a la tracción, límite
elástico y dureza de los aceros
AISI
Dureza Brinell

Soldabilidad
La soldabilidad mide la capacidad de un acero que tiene 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.
El Código API 1104- A B 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 (%):
CEV=C+
𝑀𝑛
6
+
𝐶𝑟+𝑀𝑜+𝑉
5
+
𝑁𝑖+𝐶𝑢
15
A medida que se eleva el contenido equivalente de carbono, la soldabilidad de la aleación de acero que se trate decrece.
Aunque esta ecuación fue inicialmente desarrollada para caracterizar la tendencia a la fisuración por hidrógeno en chapas de acero, también se ha
venido utilizando para evaluar el endurecimiento del acero basado en su composición química.
Como regla general, un acero se considera soldable si el carbono equivalente, obtenido según la fórmula anterior, es menor a 0,4%.
No obstante, este parámetro no es suficiente para evaluar la soldabilidad de los distintos aceros, dado que la soldabilidad no depende sólo de la
composición química del acero, sino que existen otros factores como puede ser el espesor de la junta, un factor que va a condicionar la elección de la
temperatura de precalentamiento y/o tratamientos térmicos post-soldadura, o la adecuada elección del material de aporte. Otros aspectos como la
historia térmica del material y tensiones mecánicas desarrolladas antes, durante y después de realizada la unión, van a influir también en la soldabilidad
del acero.

Diagrama de Graville
En función en qué zona se encuentre el metal base objeto de soldadura, se pueden considerar tres zonas distintas, a saber:
- Zona I: Aceros de bajo carbono y bajo endurecimiento no susceptibles a fisuras, y por lo tanto de fácil soldabilidad.
- Zona II: Aceros con mayor porcentaje de carbono y bajo endurecimiento. En esta zona el riesgo a fisuras en la ZAC es mayor, pero en parte puede ser
evitado mediante el control de la velocidad de enfriamiento, gracias a que se realice un aporte térmico después de realizada la soldadura, o bien, se
realice un precalentamiento previo más ligero.
- Zona III: Es la zona de más difícil soldabilidad. La ocupa los aceros con elevado porcentaje de carbono y alto endurecimiento, lo que origina la
formación de microestructuras susceptibles a fisuras.
Desde el punto de vista de selección de parámetros de soldadura este diagrama indicaría que si por su composición química un acero se ubica en la
Zona II, entonces implicaría que su soldadura debe involucrar el uso de procesos de bajo hidrogeno y precalentamiento, mientras que si un acero es
ubicado en la Zona III se deben aplicar procesos de bajo hidrógeno, precalentamiento y tratamientos térmicos post-soldadura, todo ello con el fin de
mejorar la calidad final del cordón de soldadura realizado.
La presente figura muestra el diagrama de Graville, el cual resulta una
herramienta útil para evaluar la soldabilidad de los aceros. El valor del CE
(%), como ya se ha dicho, va a medir la susceptibilidad a la fisuración en frío
del metal base en la zona afectada por el calor (ZAC) debido a la soldadura.
Como se vio, mayores %C va a significar un aumento del riesgo que se
produzca una fisuración en frío.
Otra información a extraer del diagrama de Graville es la posibilidad de
comprobar la necesidad de tener que realizar algún tipo de precalentamiento
o tratamiento térmico post-soldadura basada en la composición química (no
considera espesor), dado que en la misma gráfica se indica la relación entre
%Carbono y el CE% del metal base.

Resistencia al desgarro
La resistencia al desgarro laminar del acero se define como la resistencia a la aparición de
fisuras en piezas soldadas sometidas a tensiones de tracción en dirección perpendicular a
su superficie.
Para evitar el desgarro laminar, se deberá reducir en lo posible dichas tensiones mediante
un proyecto adecuado de los detalles constructivos correspondientes.
También se puede emplear otros tipos aceros que son poco susceptibles a este defecto,
tales como los aceros con resistencia mejorada a la deformación en la dirección
perpendicular a la superficie del producto, y que son aquellos que cumplen con unos
valores mínimos de estricción mostrados en la siguiente tabla, y que han sido obtenidos
sometiendo al producto a un ensayo de tracción en la dirección del espesor.
Tabla de Grados y Valores mínimos de estricción:

Aptitud al doblado
La aptitud al doblado es un índice de la ductilidad del material, y
se define por la ausencia o presencia de fisuras en el ensayo de
doblado. La aptitud al doblado es una característica opcional que
debe verificarse sólo si lo exige el pliego de prescripciones
técnicas particulares del proyecto o si lo indica el pedido.
La determinación de la aptitud al doblado se efectuará
comprobando la ausencia de fisuras en el ensayo de doblado
simple, normalizado en UNE-EN ISO 7438.

Datos de diseño
Para el diseño de estructuras de acero se toman, para las características siguientes, los valores que
a continuación se indican:
Punto de fusión: El punto de fusión depende del tipo de aleación que se trate y de las
concentraciones de los distintos elementos aleantes. El punto de fusión del hierro puro es de 1.510
ºC, sin embargo el del acero está entorno a los 1.400 ºC, aunque esta temperatura varía con el
contenido de carbono en la siguiente manera:
- Acero de bajo carbono: 1.510 ºC
- Acero de medio carbono: 1.430 ºC
- Acero de alto carbono: 1.370 ºC
• Punto de ebullición: 2.500 ºC
• Calor específico: 0,11 Kcal / Kg ºC
• Coeficiente de dilatación lineal: α = 1,2 · 10-5 ºC-1
• Densidad: γ = 7.850 Kg/m3

Ilustración esquemática de varias estructuras
eutécticas: a)laminar, b)varilla, c)globular, y d) acircular

Tratamientos de los aceros
I.Tratamientos térmicos:
• -recocido o normalizado
• -temple
• -revenido
II.Tratamientos mecánicos:
• -en frío
• -en caliente
III.Tratamientos termoquímicos:
• -cementación
• -nitruración
• -cianuración
• -carbonitruración
• -titanuración
• -boruración
IV. Tratamientos superficiales:
• -cromado duro
• -Metalización

Recocido/normalizado
El recocido consiste en elevar la
temperatura del acero a una
temperatura de austenita+50 C y
enfriarlo lentamente para:
• 1.Eliminar tratamientos térmicos
anteriores.
• 2.Eliminar tenciones residuales.
• 3.Eliminación de acritud.
• 4.Homogenización y crecimiento del
tamaño de los granos.

Normalizado y crecimiento de grano

TEMPLADO
Consiste en calentar la pieza de acero a temperatura de austenita+50
C y después enfriarlo violentamente dentro de algun medio enfriante
para obtener martensita:
• 1.Corriente de aire
• 2.Agua
• 3.Salmuera
• 4.Aceite
• 5.Metales fundidos

templado/templabilidad
Definición:
•Templado: es una propiedad mecanica que se manifiesta en la
resistencia mecánica del acero y esta en función al contenido de
carbono.
•Templabilidad: mide la profundidad de la dureza alcanzada en el
templado, la variación de la dureza esta en función de la velocidad del
enfriamiento en algún punto de la pieza.

Revenido
El acero se vuelve a calentar a temperatura inferior de la eutectiode,
para así lograr descomponer la martensita y transformarla, segun el
tiempo de exposición y la temperatura en las estructuas de:
1.Bainita
2.Stidita martensita+Δ martensita+(ferrita+perlita)
3.Sorbita
4.troostita
>723 °C

Revenido
Curva de enfriamiento para el martemperizado (martemplado) sobrepuesta
a un diagrama de acero al carbono simple eutectoide. La interrupción del
templado reduce los esfuerzos que se crean en el metal durante ese proceso.

Doble Revenido
Doble Revenido
•Proceso:
–Temple
–1er Revenido
–Enfriamiento
–2do Revenido
•Resultados:
–4 pts.
– Menos Rockwell
–25-30%
resistencia al desgaste

Tratamientos mecánicos
En frio:
1.Laminado
2.Trefilado
3.Doblado
4.Estampado
5.Troquelado
6.Embutido
7.cortado
En caliente:
1.Laminado
2.Forjado
3.Extrusión

RECOCIDO / RECRISTALIZACIÓN
Es un proceso que se desarrolla por nucleación y crecimiento, los
sitios preferenciales de nucleación de los nuevos granos son las
regiones más deformadas, como bordes de grano, planos de
deslizamiento, y en zonas de alta energía como precipitados de
segunda fase y, también, en torno a inclusiones no metálicas.

RECOCIDO / RECRISTALIZACIÓN y
TREFILADO ESTIRADO.

Tratamientos termoquímicos
•Cementació: Fe3C
•Nitruración: Fe2N, Fe4N
•Cianuración: Fe3C Fe2N, Fe4N
•Carbonitruración: Fe3C,Fe2N,Fe4N
•Titanuración: Ti2N, Ti4N
•Boruración: Fe2B

Cementación:
•Temperatura: 850-950 C
•Espesor: 0.5-1.5mm
•Dureza: 60 a 65 RHC
•Cementantes:
–Sólidos
–Líquidos
–gaseosos

Cementantes sólidos:
•60% de carbón vegetal y 40% BaCO3
•Temperatura 900 C
BaCO3+Δ BaO+CO2
CO2+C 2CO
2CO+ Δ C +CO2
3Fe+C° Fe3C (cementita)

Cementantes líquidos:
Temperatura: 900 C
Espesor: 0.2 a 3.00 mm
•Espesor: 0.2-1.5mm:
-Cianuro sódico 20%
-Cloruro bárico 30%
-Cloruro sódico 25%
-Carbonato sódico 25%
•Espesor: 1.5-3.0mm:
-Cianuro sódico 10%
-Cloruro bárico 55%
-Cloruro sódico 20%
-Carbonato sódico 15%

Cementantes gaseosos
•Temperatura: 850 C a 900 C
•Gases: CO, CO2, H2O y CH4
CH4 C +2H2
2CO CO2+C
3Fe+C Fe3C (cementita)

Nitruración
•Temperatura: 500 C
•Gases: NH3 (amoníaco)
NH3+Δ 2N° +3H2
2N +6Fe Fe2N°+Fe4N

Carbonituración (gases)
•Temperatura: 650 C-690 C
•Dureza: 57-63 RHC
•Gases:
•CO 21%
•H2 40%
•N2 35%
•CH4 1%
•Resto CO2, O2, vapor de agua

Boruración Fe2B
•El electrolito utilizado estaba compuesto por K2CH3, C3H5(OH)3, B4C
(en polvo) y H2O.

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