Este documento describe el acero, incluyendo su composición química, propiedades, procesos de fabricación y efectos de los elementos de aleación. El acero es una aleación de hierro y carbono, que puede contener también otros elementos como níquel, cromo y manganeso. Se obtienen aceros mediante procesos como el alto horno, horno Bessemer y horno eléctrico, los cuales producen arrabio u otros intermedios que luego se refinan y transforman en productos de acero.
1. REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA DEFENSA
UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL DE LA FUERZA
ARMADA
( UNEFA)
NUCLEO GUATIRE
PROFESOR:
ANGEL PEREZ
INTEGRANTES:
MAIRA MIRABAL
CHARLEN BENITEZ
JOSE GREGORIO PINTO
ING CIVIL VI SEMESTRE
SEPTIEMBRE DE 2017
2. ¿QUE ES ELACERO?
Se denomina acero, a la aleación de Hierro (Fe) y Carbono
(C). A esta aleación básica, se suele adicionar otros
elementos como níquel, cromo, manganeso, silicio o
vanadio, entre otros y que confieren al acero propiedades
especiales. El acero no es un metal sino una aleación entre
un metal(hierro) y un metaloide (carbono).
Fe + C
3.
4. La primera utilización de productos elaborados
con acero data aproximadamente del año 3000
A.C, sin embargo los primeros aceros
producidos con características de calidad
similares al acero actual fueron obtenidos por
Sir Henry Bessemeren 1856 con la ayuda de un
proceso diseñado por el mismo utilizando
fósforo y azufre. Este proceso fue sustituido por
el sistema inventado por Sir William Siemens
en 1857 el cual descarburiza la aleación de
acero con la ayuda de óxido de hierro.
Actualmente, el proceso de fabricación del
acero se completa mediante la llamada
metalurgia secundaria.
5. CARACTERISTICAS DEL ACERO
Color blanco grisáceo.
Fusibilidad punto de fusión muy alto
(1300ºC a 1530ºC).
Peso específico pesado (7,6 - 7,8 gr/cm3).
Densidad 7,85 kg/m3.
Punto de Ebullición 3000 °C.
Módulo de Elasticidad en
kg /cm2 2100000
( 2.1 x 10 ⁶)
Módulo de Poisson 0.28
6. VENTAJAS Y DESVENTAJAS
DELACERO
•Ventajas del acero
Material fácil de conformar en frío y en caliente.
Material fácil de mecanizar, ensamblar y proteger contra la corrosión
.
Bajo costo unitario en comparación con otros materiales.
Alta disponibilidad , su producción es 20 veces mayor al resto de
materiales metálicos no férreos.
Material altamente adaptable.
7. Ligereza, rigidez y resistencia: Las estructuras de acero son, por lo
general, más ligeras que las realizadas con otros materiales; esto supone
menor coste en la cimentación, sobre todo en lugares con un suelo de mala
calidad.
Adaptabilidad del uso de pórticos para rehabilitación: El acero
proporciona la máxima adaptabilidad en el cambio de uso de los edificios, ya
que se pueden realizar alteraciones estructurales con facilidad y conexiones a
los pórticos existentes con mínimas molestias y coste.
Fácilmente reciclable: Se puede usar chatarra como materia prima para
la producción de nuevo acero.
8. Desventajas del acero
Corrosión: El acero expuesto a la intemperie sufre corrosión por lo que
deben recubrirse siempre exceptuando a los aceros especiales como el
inoxidable.
Calor, fuego: En el caso de incendios, el calor se propaga rápidamente por
las estructuras haciendo disminuir su resistencia hasta alcanzar temperaturas
donde el acero se comporta plásticamente, debiendo protegerse con
recubrimientos aislantes del calor.
9. Pandeo elástico: Debido a su alta resistencia/peso el empleo de perfiles
esbeltos sujetos a compresión, los hace susceptibles al pandeo elástico, por lo
que en ocasiones no son económicos las columnas de acero ya que debe usarse
bastante material, solo para hacer más rígidas las columnas contra el posible
pandeo.
Fatiga: La resistencia del acero (así como del resto de los materiales), puede
disminuir cuando se somete a un gran número de inversiones de carga o a
cambios frecuentes de magnitud de esfuerzos a tensión.
10. COMPOSICION
La estructura del acero también se compone de
una mezcla de fases, con diversas propiedades
mecánicas.
Diagrama de fase hierro-carbono
(Fe-C), permite visualizar las
condiciones de existencia de las
fases que conforman el acero.
El acero es un material férrico, ya que contiene
Hierro y además se compone de Carbono en un
porcentaje inferior al 2 %.
11. Estas fases se obtienen a temperatura ambiente mediante el enfriamiento lento
de un acero. Las principales son:
La Ferrita (α): es blanda y dúctil. Su estructura es cúbica centrada en el
cuerpo, es estable hasta los 721ºC.
La Austenita (γ): es la más dúctil de las fases del diagrama Fe-Fe3C.
La cementita (Fe3C): es dura y frágil un compuesto intermetálico de
fórmula Fe3C, con un contenido de carbono de 6,67%.
La Perlita: es el micro constituyente eutectoide que se forma a los 727ºC a
partir de austenita con 0.77% de carbono. Es una mezcla bifásica de ferrita y
cementita de morfología laminar.
12. La mayor parte de los aceros son una mezcla de
tres sustancias: la ferrita, la cementita, y la
perlita. Cuanto mayor es el contenido en carbono
de un acero, menor es la cantidad de ferrita y
mayor la de perlita: cuando el acero tiene un
0,8% de carbono, está compuesto por perlita.
13. Si el acero se enfría despacio, la austenita vuelve a
convertirse en ferrita y en perlita, pero si el enfriamiento es
repentino, la austenita se convierte en martensita, de dureza
similar a la ferrita, pero con carbono en disolución sólida.
¿ COMO INFLUYE LA TEMPERATURA?
El acero con cantidades de carbono aún mayores es una
mezcla de perlita y cementita. Al elevar la temperatura del
acero, la ferrita y la perlita se transforman en austenita, que
tiene la propiedad de disolver todo el carbono libre presente
en el metal.
14. Además de los componentes principales indicados,
los aceros incorporan otros elementos químicos.
Algunos son perjudiciales (Impurezas) y provienen
de la chatarra, el mineral o el combustible
empleado en el proceso de fabricación (azufre y el
fósforo). Otros se añaden intencionalmente para la
mejora de alguna de las características del acero
(Aleantes).
15. Se da el nombre de aceros aleados a los aceros que además de los cinco
elementos (carbono, silicio, manganeso, fósforo y azufre) contienen también
cantidades relativamente importantes de otros elementos que sirven para
mejorar alguna de sus características fundamentales.
Los elementos de aleación que más frecuentemente suelen utilizarse para la
fabricación de aceros aleados son: Níquel, Manganeso, Cromo, Vanadio,
Wolframio, Molibdeno, Cobalto, Silicio, Cobre, Titanio,, Plomo, Selenio,
Aluminio, Boro y Niobio.
-ALEACIONES
17. ELEMENTO EFECTO EN LOS ACEROS
FOSFORO (P) Y
AZUFRE (S)
( Impurezas)
Perjudican la tenacidad del acero, a su vez el Fosforo disminuye la
ductilidad.
COBRE ( Cu) Mejora resistencia a corrosión atmosférica.
MANGANESO
(Mn)
Desoxidante, neutraliza el azufre, facilitando que se pueda laminar y
forjar. Mejora la resistencia.
SILICIO (Si) Se emplea como desoxidante y actúa como endurecedor en el acero de
aleación.
WOLFRAMIO
(TUNGSTENO)
(W)
Mantienen la dureza de los aceros a elevada temperatura. Evita que se
desafilen o ablanden las herramientas .
18. ELEMENTO EFECTO EN LOS ACEROS
CROMO (Cr) Es el más empleados para la fabricación de aceros aleados. Sirve para
aumentar la dureza y la resistencia a la tracción de los aceros, Mejora la
templabilidad, impide las deformaciones en el temple, la inoxidabilidad,
etc.
NIQUEL (Ni) Produce gran tenacidad, ductilidad y resistencia en los aceros al carbono
o de baja aleación. Es un elemento de extraordinaria importancia en la
fabricación de aceros inoxidables y resistentes a altas temperaturas.
MOLIBDENO
(Mo)
Mejora notablemente la resistencia a la tracción y añadiendo solo
pequeñas cantidades a los aceros cromo-níqueles, se disminuye o elimina
casi completamente la fragilidad. Se añade como elemento de adición
para neutralizar los malos efectos del azufre y del oxigeno, que siempre
suelen contener los aceros cuando se encuentran en estado liquido en los
hornos durante los procesos de fabricación.
19. ELEMENTO EFECTO EN LOS ACEROS
VANADIO (V) Se emplea principalmente para la fabricación de aceros de herramientas.
COBALTO
(Co)
Este elemento al ser incorporado en los aceros, se combina con la
ferrita, aumentando su dureza y su resistencia. El cobalto se suele
emplear en los aceros rápidos al Wolframio de máxima calidad.
TITANIO (Ti) Se suele añadir pequeñas cantidades de titanio a algunos aceros muy
especiales para desoxidar y afinar el grano.
ALUMINIO (Al) Se suelen añadir pequeñas proporciones de aluminio de cara a mantener
constantes las propiedades mecánicas( sobre todo el alargamiento) en
largos períodos de almacenaje (calmado al aluminio).
20. ¿COMO SE OBTIENE ELACERO?
El acero se puede obtener a partir de dos materias primas
fundamentales:
Arrabio
Las chatarras tanto
férricas como
inoxidables.
El proceso a base de mineral de hierro utiliza un alto horno y
el proceso con la chatarra férrea recurre a un horno de arco
eléctrico.
21. Proceso de fabricación del acero
Existen dos rutas de fabricación de acero:
•El proceso siderúrgico integral, en el que se parte de mineral de hierro,
carbón y fundentes. Estas materias primas han de pasar por diferentes
instalaciones para su transformación. La más característica de ellas es el horno
alto, de donde ya se obtiene una aleación de hierro y carbono en estado
líquido.
•La acería eléctrica, en la que se parte principalmente de chatarra y en un
solo paso se obtiene ya acero, que posteriormente se somete a tratamientos de
transformación.
22.
23. Obtención del Arrabio
Se denomina arrabio al material fundido que se obtiene en el alto horno
mediante reducción del mineral de hierro. También se puede obtener mediante
el proceso de reducción directa.
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.
24. Reducción directa:
Emplea agentes reactivos reductores como gas natural, coque, aceite
combustible, monóxido de carbono, hidrógeno o grafito. El procedimiento
consiste en triturar la mena de hierro y pasarla por un reactor con los agentes
reductores, con lo que algunos elementos no convenientes para la fusión del
hierro son eliminados.
26. El arrabio producido en los altos hornos tiene la siguiente composición:
Composición del Arrabio
92% de
hierro
3 a 4% de
carbono
0,5 a 3% de
silicio
0,25% a
2,5% de
manganeso
0,04 a 2% de
fósforo y
azufre
27. El refinado del Arrabio
El refinado se lleva a cabo en dos etapas. La primera en un horno especial y la
segunda en un horno cuchara. En el primer refinado se procede a la eliminación
de carbono, impurezas y elementos indeseables (silicio, manganeso, fósforo,
etc.)
El acero obtenido se vacía en una cuchara de colada, revestida de material
refractario, que hace la función de cuba para el segundo refinado en el que se
termina de ajustar la composición del acero y de dársele la temperatura
adecuada para la siguiente fase en el proceso de fabricación.
28.
29. Finalizado el refinado se procede a la colada continua, el cual es un
procedimiento siderúrgico en el que el acero se vierte directamente en un
molde de fondo desplazable, cuya sección transversal tiene la forma geométrica
del semiproducto que se desea fabricar; en este caso la palanquilla.
Colada continua
Las palanquillas no son utilizables directamente, debiendo transformarse en
productos comerciales por medio de la laminación o forja en caliente.
30.
31. Horno Bessemer
Consiste en descarburar el arrabio en un gran recipiente, en forma de pera,
revestido con material refractario. El arrabio líquido es sometido al pasaje de
aire comprimido que se insufla desde orificios ubicados en la parte inferior del
horno y eliminan el carbono:
Fe + C + O2 ---> Fe + CO2
El proceso de descarburado se controla mediante análisis espectroscópico de la
llama que sale del horno.
Obtención del acero en hornos especiales:
33. Es un horno de fusión de crisol, abierto, sometido al efecto de una llama
producida fuera del horno, con recuperación del calor de los humos mediante
recuperadores, con el que se consigue obtener temperaturas más elevadas. La
incorporación de chatarra aporta oxígeno al proceso. Dependiendo del tipo de
revestimiento el proceso puede ser básico o ácido.
Horno Siemens-Martin
34. La carga del horno eléctrico está constituida de chatarra principalmente. En el
baño se lleva a cabo una reacción de oxidación – reducción. Permiten obtener
aceros muy puros y uniformes. La fuente de calor es el arco eléctrico.
Horno Eléctrico
35. El acero más empleado en la construcción es el laminado. El laminado consiste
en transformar el acero en bruto a alta temperatura en elementos de formas dadas
usados en la construcción. El proceso de laminado consiste en calentar los
lingotes de acero fundido a una temperatura que permita la deformación del
lingote por un proceso de estiramiento y desbaste que se produce en una cadena
de cilindros a presión llamado tren de laminación para conformar la geometría
del producto deseado.
Laminado
36. Extrusión
Ésta es otra forma de obtener perfiles. Para ello se hace pasar el material casi
fundido a través de un dado o matriz, que es una placa con orificios, y las
barras obtenidas tendrán el perfil de ese orificio.
37. Trefilado
El proceso de trefilado consiste en reducir la sección transversal del
elemento forzando su pasaje a través del orificio de una matriz mediante la
aplicación de un esfuerzo mecánico. Se aplica a fabricación de alambres y
tubos.
38. Estampado
El estampado se realiza por presión, donde la chapa se adapta a la forma del
molde. La estampación es una de las tareas de mecanizado más fáciles que
existen, y permite un gran nivel de automatismo del proceso. Se puede realizar
en frío o en caliente, el estampado de piezas en caliente se llama forja.
39. ¿COMO SE FABRICA UNA CABILLA?
Las cabillas son muy importantes en la construcción,
puesto que son de vital importancia al momento de
construir las bases de nuestras edificaciones,
construir carreteras, y en general, muchos proyectos.
40. Las cabillas entran en lo que se conoce como productos largos. El proceso de
fabricación comienza con la fabricación del acero.
Este producto, con alto contenido de hierro, se procesa en dos plantas para
obtener Hierro de Reducción Directa, conocido como HRD, luego este es
cargado a los hornos eléctricos para poder obtener el acero líquido.
Este material, luego es refinado en las Estaciones de Metalurgia Secundaria,
aquí se le incorporan ferroaleaciones, luego pasa a las máquinas de Colada
Continua para solidificarlo, dando como resultado este proceso,
los planchones o palanquillas que se destinaran a la fabricación de productos
planos y productos largos, estos últimos, entre los que se encuentran
las cabillas.
41. PROPIEDADES MECANICAS DEL
ACERO
Resistencia: Es la oposición al cambio de forma y a la fuerzas externas que
pueden presentarse como cargas y son tracción, compresión, cizalle, flexión y
torsión.
Elasticidad: Corresponde a la capacidad de un cuerpo para recobrar su
forma al dejar de actuar la fuerza que lo ha deformado.
Plasticidad: Es la capacidad de deformación de un metal sin que llegue a
romperse si la deformación se produce por alargamiento se llama ductilidad y
por compresión maleabilidad.
42. Fragilidad: Es la propiedad que expresa falta de plasticidad y por lo tanto
tenacidad, los metales frágiles se rompen en el límite elástico su rotura se
produce cuando sobrepasa la carga del límite elástico.
Tenacidad: viene siendo la conjugación de dos propiedades: ductilidad y
resistencia. Un material tenaz será aquel que posee una buena ductilidad y una
buena resistencia al mismo tiempo.
Dureza: se define como la propiedad del acero a oponerse a la penetración de
otro material.
Ductilidad: se refiere a la capacidad del acero para deformarse, al soportar
esfuerzos de tracción sin llegar a la rotura.
Maleabilidad: es la capacidad que presenta el acero de soportar la
deformación, sin romperse, al ser sometido a un esfuerzo de comprensión.
43. 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).
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.
Maquinabilidad: Es la facilidad que posee un material de permitir el proceso
de mecanizado por arranque de viruta.
Estricción: 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.
44. 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.
45. PROPIEDADES QUIMICAS DEL
ACERO
Las características mecánicas de un material dependen tanto de su
composición química como de la estructura cristalina que tenga.
Resistencia a la oxidación: Se refiere a la combinación de oxígeno con
otra sustancia para producir un compuesto llamado óxido.
46. Resistencia a la corrosión: La corrosión es el deterioro de un material a
consecuencia de un ataque químico por su entorno. 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.
La resistencia que ofrezca un material a la corrosión y a la oxidación , son dos de
sus principales propiedades químicas.
47. DIAGRAMA DE DEFORMACION DEL
ACERO
El diagrama es la curva resultante
graficada con los valores del esfuerzo y
la correspondiente deformación unitaria
en el espécimen calculado a partir de los
datos de un ensayo de tensión o de
compresión.
48. 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.
49.
50. a) Límite de proporcionalidad:
Va desde el origen O hasta el punto llamado límite de proporcionalidad, es
un segmento de recta rectilíneo, de donde se deduce la tan conocida relación
de proporcionalidad entre la tensión y la deformación enunciada en el año
1678 por Robert Hooke. Cabe resaltar que, más allá la deformación deja de
ser proporcional a la tensión.
b) Limite de elasticidad o limite elástico:
Es la tensión más allá del cual el material no recupera totalmente su forma
original al ser descargado, sino que queda con una deformación residual
llamada deformación permanente.
51. c) Punto de fluencia:
La fluencia o cedencia es la deformación irrecuperable de la probeta, a partir
de la cual sólo se recuperará la parte de su deformación correspondiente a la
deformación elástica, quedando una deformación irreversible y donde
aparece un considerable alargamiento o fluencia del material sin el
correspondiente aumento de carga que, incluso, puede disminuir mientras
dura la fluencia.
d) Esfuerzo máximo:
Es la máxima ordenada en la curva esfuerzo-deformación.
e) Esfuerzo de Rotura:
Verdadero esfuerzo generado en un material durante la rotura.
52. TIPOS DE ACEROS
Los diferentes tipos de acero se clasifican de acuerdo a los elementos de
aleación que producen distintos efectos en el Acero:
Aceros al
carbono
Aceros de baja
aleación
ultrarresistentes
Aceros
aleados
Aceros
inoxidables
53. Aceros al carbono
•Son más del 90%.
•Contienen carbono y un porcentaje
muy pequeño de manganeso, de silicio
y de cobre.
•Entre los productos fabricados con
aceros al carbono figuran máquinas,
carrocerías de automóvil, cascos de
buques y horquillas.
54. Aceros aleados
•Se clasifican en: estructurales, para herramientas y especiales.
•Contiene : vanadio, molibdeno y otros elementos.
Estructurales
Son aquellos aceros que se emplean
para diversas partes de máquinas,
tales como engranajes, ejes y
palancas. Además se utilizan en las
estructuras de edificios. El contenido
de la aleación varía desde 0,25% a un
6%.
55. Para herramientas
Aceros de alta calidad que se
emplean en herramientas para
cortar y modelar metales y no
metales. Por lo tanto, son
materiales empleados para cortar
y construir herramientas tales
como taladros, terrajas y machos
de roscar.
56. Especiales
Los Aceros de Aleación especiales son
los aceros inoxidables y aquellos con un
contenido de cromo generalmente
superior al 12%. Estos aceros de gran
dureza y alta resistencia a las altas
temperaturas y a la corrosión, se emplean
en turbinas de vapor, engranajes, ejes y
rodamientos.
57. Aceros de baja aleación ultrarresistentes
•Más reciente.
•Más baratos que los aceros aleados.
•Resistencia mucho mayor que la del acero al
carbono.
•En la actualidad se construyen muchos
edificios con estructuras de aceros de baja
aleación. Las vigas pueden ser más delgadas
sin disminuir su resistencia, logrando un
mayor espacio interior en los edificios.
58. Aceros inoxidables
•Contienen: cromo, níquel.
•Algunos aceros inoxidables son muy duros;
otros son muy resistentes y brillantes. El
acero inoxidable se utiliza para las tuberías y
tanques de refinerías de petróleo o plantas
químicas, equipos quirúrgicos, en cocinas y
los utensilios son a menudo de acero
inoxidable, ya que no oscurece los alimentos
y pueden limpiarse con facilidad.
61. El principal país productor de acero en la actualidad es China, que en el 2007
representaba el 36,6% de la producción mundial de acero.
En el 2009, en la mayoría de los países productores de acero, la producción
cayó con la recesión mundial.
63. La Industria Siderúrgica es de vital importancia para el estado venezolano, ya que
se ocupa de suministrar desde la trasformación del mineral de hierro o chatarra
hasta la comercialización de los elementos para construcciones, edificios, autos,
máquinas, etc.
En el 2015 la producción de acero en
La Industria Siderúrgica en Venezuela aumentó levemente,
alcanzando 1.07 millones de toneladas que representan un
23% de su capacidad de producción y en el 2016 la
producción de acero disminuyó 71% respecto del año
anterior, alcanzando 0.31 millones de toneladas, que
representan menos que 7% de su capacidad de producción.
64. NORMATIVAS
Normas Americanas.
•AISC (American Institute of Steel Construction)
•ASM (American Society for Metals)
•ASTM (American Society of Testing and Materials
•UNS (Unified Numbering System)
•SAE (Society of Automotive Engineers)
•AISI (American Iron and Steel Institute)
La Norma SAE es la más utilizada internacionalmente para aceros, se
complementa de la Norma AISI para proporcionar una designacion o
nomenclatura más completa de los aceros conocida como SAE-AISI.
65. Normas Europeas:
La norma española UNE-36010, actualmente sustituida por la norma UNE-EN
10020:2001, fue una normalización o clasificación de los aceros para que sea
posible conocer las propiedades de los mismos. Esta norma indica la cantidad
mínima o máxima de cada componente y las propiedades mecánicas que debe
tener el acero resultante.
Normas Venezolanas:
Se orienta hacia las Normas COVENIN ( Comisión Venezolana de Normas
Industriales), la cual permite el desarrollo de políticas en el ámbito de la
normalización y control de calidad.