EL ACERO
El acero, como material indispensable de refuerzo en las construcciones,
es una aleación de hierro y carbono, en proporciones variables, y pueden llegar
hasta el 2% de carbono, con el fin de mejorar algunas de sus propiedades, puede
contener también otros elementos. Una de sus características es admitir el
temple, con lo que aumenta su dureza y su flexibilidad.
En las décadas recientes, los ingenieros y arquitectos han estado
pidiendo continuamente aceros cada vez más sofisticados, con propiedades de
resistencia a la corrosión, aceros mas soldables y otros requisitos. La
investigación llevada a cabo por la industria del acero durante este periodo ha
conducido a la obtención de varios grupos de nuevos aceros que satisfacen
muchos de los requisitos y existe ahora una amplia variedad cubierta gracias a
las normas y especificaciones actuales.
Las propiedades físicas de los aceros y su comportamiento a distintas
temperaturas dependen sobre todo de la cantidad de carbono y de su
distribución. Antes del tratamiento térmico, la mayoría de los aceros son una
mezcla de tres sustancias, Ferrita, Perlita y Cementita.
La
Ferrita,
blanda y dúctil, es hierro con pequeñas cantidades de carbono y otros
elementos en disolución.
La
Cementita, es un compuesto de hierro con el 7% de carbono aproximadamente, es
de gran dureza y muy quebradiza.
La
Perlita: es una mezcla de ferrita y cementita, con una composición
específica y una estructura característica, sus propiedades físicas con
intermedias entre las de sus dos componentes.
La resistencia y dureza de un acero que no ha sido tratado térmicamente
depende de las proporciones de estos tres ingredientes, 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 por compuesto de
perlita. El acero con cantidades de carbono aún mayores es una mezcla de
perlita y cementita.
PROCESO DE FABRICACIÓN DEL ACERO
El proceso de fabricación se divide básicamente en dos fases: la fase de
fusión y la fase de afino.
Fase
de fusión
Una vez introducida la chatarra en el horno y los agentes reactivos y
escorificantes (principalmente cal) se desplaza la bóveda hasta cerrar el horno
y se bajan los electrodos hasta la distancia apropiada, haciéndose saltar el
arco hasta fundir completamente los materiales cargados. El proceso se repite
hasta completar la capacidad del horno, constituyendo este acero una colada.
Fase
de afino
El afino se lleva a cabo en dos etapas. La primera en el propio horno y
la segunda en un horno cuchara.
En el primer afino se analiza la composición del baño fundido y se
procede a la eliminación de impurezas y elementos indeseables (silicio,
manganeso, fósforo, etc.) y realizar un primer ajuste de la composición química
por medio de la adición de ferroaleaciones que contienen los elementos
necesarios (cromo, níquel, molibdeno, vanadio, titanio, etc.).
El acero obtenido se vacía en una cuchara de colada, revestida de
material refractario, que hace la función de cuba de un segundo horno de afino
en el que termina de ajustarse la composición del acero y de dársele la
temperatura adecuada para la siguiente fase en el proceso de fabricación.
El
control del proceso
Para obtener un acero de calidad el proceso debe controlarse en todas
sus fases empezando, como ya se ha comentado, por un estricto control de las
materias primas cargadas en el horno.
Durante el proceso se toman varias muestras del baño y de las escorias
para comprobar la marcha del afino y poder ir ajustando la composición del
acero. Para ello se utilizan técnicas instrumentales de análisis
(espectómetros) que permiten obtener resultados en un corto espacio de tiempo,
haciendo posible un control a tiempo real y la adopción de las correcciones
precisas de forma casi instantánea, lográndose así la composición química
deseada. Los dos elementos que más pueden influir en las características y
propiedades del acero obtenido, el carbono y el azufre, se controlan de forma
adicional mediante un aparato de combustión LECO. Pero además de la composición
del baño y de la escoria, se controla de forma rigurosa la temperatura del
baño, pues es la que determina las condiciones y la velocidad a la que se
producen las distintas reacciones químicas durante el afino.
La colada continua 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.
La artesa receptora tiene un orificio de fondo, por el que distribuye el
acero líquido en varias líneas de colada, cada una de las cuales dispone de su
lingotera o molde, generalmente de cobre y paredes huecas para permitir su
refrigeración con agua, que sirve para dar forma al producto. Durante el
proceso la lingotera se mueve alternativamente hacia arriba y hacia abajo, con
el fin de despegar la costra sólida que se va formando durante el enfriamiento.
Posteriormente se aplica un sistema de enfriamiento controlado por medio
de duchas de agua fría primero, y al aire después, cortándose el semiproducto
en las longitudes deseadas mediante sopletes que se desplazan durante el corte.
Finalmente, se identifican todas las palanquillas con el número de
referencia de la colada a la que pertenecen, como parte del sistema implantado
para determinar la trazabilidad del producto, vigilándose la cuadratura de su
sección, la sanidad interna, la ausencia de defectos externos y la longitud
obtenida.
La
laminación
Las palanquillas no son utilizables directamente, debiendo transformarse
en productos comerciales por medio de la laminación o forja en caliente.
De forma simple, podríamos describir la laminación como un proceso en el
que se hace pasar al semiproducto (palanquilla) entre dos rodillos o cilindros,
que giran a la misma velocidad y en sentidos contrarios, reduciendo su sección
transversal gracias a la presión ejercida por éstos. En este proceso se
aprovecha la ductilidad del acero, es decir, su capacidad de deformarse, tanto
mayor cuanto mayor es su temperatura. De ahí que la laminación en caliente se
realice a temperaturas comprendidas entre 1.250 ºC, al inicio del proceso, y
800 ºC al final del mismo.
La laminación sólo permite obtener productos de sección constante, como
es el caso de las barras corrugadas.
ENSAYOS MECÁNICOS DEL ACERO
Los ensayos mecánicos caracterizan la capacidad de los materiales de
reaccionar a la deformación o rotura por solicitación de acciones externas.
Caracterizaremos 3 tipos:
estáticos (aplicación
lenta y gradual de la carga)
dinámicos (aplicación
por golpe)
periódica (variable en
magnitud y dirección
1.
Ensayos de tracción (estáticos)
Aceros
ordinarios
Mide la tenacidad y plasticidad del material. Consiste en el
estiramiento de una probeta normalizado mediante carga axil y conjuntamente se
va dibujando una gráfica llamada diagrama de tensiones. Se destacan en el
ensayo para barra lisa y acero ordinario tres etapas
definidas:
límite de proporcionalidad (comportamiento elástico)
límite de fluencia (cedencia)
límite de tenacidad (estricción y rotura).
La plasticidad del material se manifiesta en el alargamiento
relativo (d) y en la estricción del área (e).
Alargamiento de rotura dr = L1 - L0 / L0 x 100
Estricción de rotura er = F0 -
F1 / F0 x 100
L0 y F0 = dimensiones iniciales.
L1 y F1 = dimensiones después de la rotura.
La relación f = P / F0 nos indica los valores tensionales en los puntos
relevantes del diagrama.
La capacidad del material de oponerse a su deformación por acciones
externas se denomina módulo de elasticidad y se representa por la letra E. Su
valor es el del ángulo (a) que forma la gráfica en su período elástico
con el eje de los alargamientos y se expresa en kg/cm2. Cada material tiene un
valor determinado de E que lo caracteriza.
Ensayo de fatiga (periódico):
Las acciones actuantes sobre el material adoptan cíclicamente valores
extremos, lo que va determinando en el período elástico acumulación de
deformaciones residuales por aplicación de cargas previa recuperación elástica.
Este fenómeno denominado Histéresis produce la rotura de la pieza por
fatiga (acumulación de esfuerzo de la misma). Se ejecuta mediante rotación de
la probeta ( 5.000.000 de ciclos).
Ensayo de fluencia:
Consiste en la deformación gradual de tamaño y forma con esfuerzos
generalmente bajos. Se realiza por calentamiento de la probeta y aplicando
cargas.
ALEACIONES
Debido a que las aleaciones han venido ganando un gran campo de acción
en la Ingeniería, podíamos conocer las propiedades que caracterizan a cada tipo
de aleación. La resistencia no es la única característica que nos permite
decidir si el elemento tendrá un desempeño óptimo. Un desempeño satisfactorio
depende también de la densidad, la resistencia a la corrosión y los efectos de
la temperatura, así como también de las propiedades eléctricas y magnéticas.
Como ejemplo consideremos algunas partes para las cuales son especialmente
apropiadas ciertas aleaciones.
Aleaciones de aluminio: partes de aviones (alta resistencia
en la relación con su peso)
Aleaciones de magnesio: fundiciones para aviones
(compite con el aluminio)
Aleaciones de cobre: alambres eléctricos (alta conductividad)
Aleaciones de níquel: partes para turbinas de gas (alta
resistencia a temperaturas elevadas).
Encontramos que más del 95% en peso de los metales de ingeniería,
utilizados en los Estados Unidos cada año son aleaciones basadas en aluminio,
magnesio, cobre hierro y níquel. De hecho, más del 85% es de la familia basada
en el hierro y, a pesar de que los porcentajes para las aleaciones de magnesio
y níquel son pequeños, estas tienen gran importancia y sería conveniente
conocer algunas de las características principales de algunos tipos de
aleaciones.
ALEACIONES
MARTENSITICAS
Contienen de 12 a 20% de cromo con cantidades controladas de carbono y
otros aditivos. El tipo 410 es un miembro característico de este grupo. Esas
aleaciones se pueden endurecer mediante el tratamiento térmico, con un aumento
en la resistencia a la tracción de 550 a 1380 MPa (80000 a 200000 lbf / in2 ).
La resistencia a la corrosión es inferior a la de los aceros inoxidables
austeniticos y los aceros martensíticos se utilizan en general en ambientes
ligeramente corrosivos (atmosférico, agua dulce y materiales orgánicos).
ALEACIONES
INOXIDABLES VACIADAS
Se utilizan mucho en bombas, válvulas y accesorios. Esas aleaciones
vaciadas se designan según el sistema de Alloy Casting lnstitute (ACI). Todas
las aleaciones resistentes a la corrosión tienen la letra C más otra letra (A a
N) que denota el contenido creciente de níquel. Los números indican el
contenido máximo de carbono. Aunque se puede hacer una comparación aproximada
entre los tipos ACl y Los AISI, las composiciones no son idénticas y los
análisis no se pueden utilizar en forma intercambiable. Las técnicas de
fundición requieren un rebalanceo de las composiciones químicas forjadas. Sin
embargo, la resistencia a la corrosión no se ve afectada por esos cambios de
composición.
Los miembros característicos de este grupo son CF- similar al acero
inoxidable tipo 304; CF-8M, similar al tipo 316 CD-4M Cu, que tiene una
resistencia mecánica al ácido nítrico, al sulfúrico y al fosfórico. Un acero PH
usual que contiene 17% Cr, 7% Ni 1.1% Al tiene una resistencia elevada, buenas
propiedades ante la fatiga y buena resistencia al desgaste. Un número elevado
de estos aceros, con composiciones variables, se encuentran disponibles
comercialmente. En forma esencial contienen cromo y níquel con agentes
agregados de aleación como cobre, aluminio, berilio, molibdeno, nitrógeno y
fósforo.
ALEACIONES
MEDIAS
Un grupo de aleaciones en su mayor parte patentadas, con una resistencia
ligeramente mejor a la corrosión que la de los aceros inoxidables se denominan
aleaciones medias. Uno de los miembros más populares de este grupo es la
aleación 20, producida por ciertas compañías con diversos nombres comerciales.
La aleación 20 se desarrollo originalmente para satisfacer la necesidad de un
material con una resistencia al ácido sulfúrico superior a la de los aceros
inoxidables.
Estas aleaciones tienen una aplicación muy amplia en los sistemas de
ácido sulfúrico. Debido a su alto contenido de níquel y molibdeno tienen mayor
tolerancia a la contaminación por el ion cloruro que los aceros inoxidables
estándares. El contenido de níquel disminuye el riesgo de fractura debido a la
corrosión por esfuerzo. El molibdeno mejora la resistencia a la corrosión por
grieta y a las picaduras.
ALEACIONES
ALTAS
El grupo de materiales que se denominan aleaciones altas contienen
porcentajes relativamente grandes de níquel. El Hastelloy B-2 contiene 61% Ni,
y 28% Mo. Existen en la forma forjada y vaciada. El endurecimiento por trabajo
presenta ciertas dificultades de fabricación y el maquinado es un poco más difícil
que para el acero inoxidable del tipo 316. Se pueden utilizar métodos
tradicionales de soldadura. La aleación tiene una resistencia desacostumbrada
alta a todas las concentraciones de ácido clorhídrico.
El Coloriste 2 tiene 63% Ni y 32% Mol y se asemeja al Hastelloy B-2.
Existe sólo en forma vaciada, principalmente en válvulas y bombas. Se trata de
una aleación dura, muy resistente a los choques mecánicos y térmicos. Se puede
labrar con herramientas de punta de carburo y soldar con técnicas de arco metálico.
ESTRUCTURA
DEL ACERO
Las propiedades físicas de los aceros y su comportamiento a distintas
temperaturas dependen sobre todo de la cantidad de carbono y de su distribución
en el hierro. Antes del tratamiento térmico, la mayor parte de los aceros son
una mezcla de tres sustancias: ferrita, perlita y cementita. La ferrita, blanda
y dúctil, es hierro con pequeñas cantidades de carbono y otros elementos en
disolución. La cementita, un compuesto de hierro con el 7% de carbono
aproximadamente, es de gran dureza y muy quebradiza. La perlita es una profunda
mezcla de ferrita y cementita, con una composición específica y una estructura
característica, y sus propiedades físicas son intermedias entre las de sus dos
componentes.
La resistencia y dureza de un acero que no ha sido tratado térmicamente
depende de las proporciones de estos tres ingredientes. 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 por completo compuesto
de perlita. El acero con cantidades de carbono aún mayores es una mezcla de
perlita y cementita.
PROPIEDADES MECÁNICAS DEL ACERO
Resistencia al desgaste. Es la resistencia que ofrece un material a
dejarse erosionar cuando está en contacto de fricción con otro material.
Tenacidad. Es la capacidad que tiene un material de absorber energía sin
producir Fisuras (resistencia al impacto).
Maquinabilidad. Es la facilidad que posee un material
de permitir el proceso de mecanizado por arranque de viruta.
Dureza. Es la resistencia que ofrece un acero para dejarse penetrar. Se
mide en unidades BRINELL (HB) ó unidades ROCKWEL C (HRC), mediante test del
mismo nombre.
FLEXIÓN POR CHOQUE DE METALES NO FERROSOS
Los metales y aleaciones no ferrosas pueden o no coincidir con las
características de transición dúctil-frágil correspondientes a los aceros y sus
aleaciones.
El cinc, que de acuerdo a normas se ensaya en flexión por choque entre
–20° y +40° C, presenta a bajas temperaturas muy pequeña resiliencia, la que se
eleva considerablemente para valores ligeramente superiores a la del ambiente.
Sin embargo, aumentando la temperatura, tiene tendencia a disminuir su
capacidad de absorber energía; esta característica es de importancia si se
tiene en cuenta que la disminución de la ductilidad puede corresponder a
temperaturas de uso del material.
El comportamiento del cobre, aluminio y sus aleaciones bajo efectos
dinámicos de impacto, resulta distinto al de los aceros y el cinc, pues la
disminución de la temperatura acrecienta ligeramente la ductilidad.
En el níquel y sus aleaciones el aumento de la resiliencia es de
importancia, al disminuir la temperatura y sólo para valores muy bajos de ésta
se produce una ligera disminución de la energía de rotura.
El aumento de la tenacidad con la disminución de la temperatura, tiene
lugar en los metales que presentan estructura cristalina correspondiente al
sistema cúbico de caras centradas.
FLEXIÓN POR CHOQUE DE COBRE Y ALEACIÓN (ASTM 260)
Materiales: Cobre electrolítico y aleación ASTM 260 (Cu = 70 %;Zn = 30
%)
Método: Izod.
El cobre y los llamados latones monofásicos, como el ensayado (figura
16) son ejemplos típicos de metales de estructura cúbica de caras centradas. Se
verifica el aumento de la energía al disminuir la. temperatura y la carencia
del período de transición dúctil-frágil en el rango de temperaturas de ensayos.
Además, la aleación obtenida con Zn presenta un aumento de la tenacidad
por incremento de la energía a igual temperatura, con respecto al cobre
electrolítico.
Ensayo de Choque:
Dentro de los ensayos de choque encontramos dos tipos usualmente
utilizados para determinar la resiliencia de un material.
El principio de funcionamiento de la máquina utilizada es el que se
demuestra en la , donde una masa o peso “G” asegurado a una barra que puede
girar sobre un eje “O”, es elevado a una altura H1, desde su posición vertical
de reposo, lo que también el posible indicador con el ángulo a1, en estas
condiciones se deja caer y en el punto P, ubicada sobre la vertical de
desplazamiento de péndulo, se coloca una barra de un material determinado.
El ensayo dinámico se realiza en una máquina conocida como péndulo o
martillo pendulante, para realizar el ensayo se coloca la probeta en una
mordaza y depende del método a utilizar se golpea la probeta, provocando en la
mayoría de los ensayos una rotura con la característica de poseer rotura por
tracción y por corte. Los valores obtenidos por estos ensayos, son únicamente
comparables, en materiales con propiedades similares, ya sean dúctiles o
frágiles, cuando se realizan sobre el mismo tipo de probeta y en idénticas
condiciones de ensayo.
En diferencia en el método IzoD y Charpy es que en este último se
utiliza un martillo de pena con la cara redonda, y en IzoD se usa la cara
opuesta del martillo.
El trabajo obtenido por la probeta se llama resiliencia, y es válido
solo cuando la probeta se rompe de un solo golpe. La resiliencia se calcula
según el volumen o la sección y según el método que estemos utilizando.
Probetas:
En el método de Charpy se usan probetas entalladas aprobada por ISO con
las dimensiones mostradas en las figuras siguientes.
Forma de las probetas en Charpy y su entalla
Todas las probetas tienen una entalla que es una muesca, la cual se
ubica en el extremo de las mordazas, que sirve principalmente para ubicar la
rotura ya que la zona de deformaciones se ubican cercanas a ellas.
ENSAYOS REALIZADOS EN EL LABORATORIO
Primer ensayo: El primer ensayo que se realizo fue un ensayo de Charpy,
y se realzo sobre un SAE 1060 de grano Fino.
S = 10 mm x 8 mm = 80 mm2
V1 = 3,36 m/seg
Carga inicial = 5,6 kgm
Energía absorbida = 1,8 kgm
K = (1,8 Kgm) : 0,8 cm2 = 2,25 Kgm/cm2
Segundo ensayo: El segundo ensayo se realizo sobre el mismo acero que el
ensayo anterior y se utilizó el método IzoD
S = 10 mm x 8 mm = 80 mm2
V1 = 3,36 m/seg
Carga inicial = 5,6 kgm
Energía absorbida = 1,3 Kgm
K = (1,3 Kgm) : 0,8 cm2 = 1,62 Kgm/cm2
Tercer ensayo: El tercer ensayo fue un Ensayo de tracción dinámica y se
realizo sobre la probeta proveniente de un barril de plástico para material de
exportación.
Vol. = 3,04 cm3
E = 80 mm
A = 10 mm
K = (2,3 Kgm) : 3,04 cm3 = Kgm/cm3
EL PROCESO SIDERÚRGICO
Se denomina proceso siderúrgico, a la serie de pasos consecutivos
que nos transformarán una materia prima como el mineral del hierro, y el carbón
de coque, hasta un producto final como el acero.
El hierro con el carbón, se quema en los altos hornos, para que se cree
el acero:
Un alto horno, es lo que se muestra a continuación.
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