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CAPITULO VII
MATERIALES FERRICOS
1. GENERALIDADES
Los metales son elementos químicos que presentan todas o gran parte de las siguientes propiedades físicas: estado sólido a temperatura norma; ductilidad; opacidad; buenos conductores eléctricos y térmicos; brillantes, una vez pulidos, y estructura cristalina en estado sólido. Los elementos metálicos más comunes son los siguientes: aluminio, bismuto, calcio, cromo, cobalto, cobre, oro, hierro, plomo, litio, magnesio, manganeso, mercurio, níquel, osmio, platino, potasio, plata, sodio, estaño, titanio, volframio, uranio y cinc. Los elementos metálicos se pueden combinar unos con otros y también con otros elementos formando compuestos, disoluciones y mezclas. Una mezcla de dos o más metales o de un metal y ciertos no metales como el carbono se denomina aleación. Las aleaciones de mercurio con otros elementos metálicos son conocidas como amalgamas. El hierro (y sus derivados) son los materiales más aptos cuando de resistencia y versatilidad se trata. Se registra en la historia que en la batalla de Platea (479 A.C.), 30000 griegos armados con 25 Kg de hierro, derrotaron a 100000 persas dotados con armaduras ligeras sufriendo menos de mil bajas. Para la construcción de obras civiles, el material más empleado es el ACERO, por sus amplias ventajas en cuanto al índice peso/resistencia, ductilidad y versatilidad en el uso de este material. 1.1.Materia prima El hierro o fierro (en muchos países hispanohablantes se prefiere esta segunda forma) es un elemento químico de número atómico 26 situado en el grupo 8, periodo 4 de la tabla periódica de los elementos. Su símbolo es Fe (del latín fĕrrum)1 y tiene una masa atómica de 55,6 u. Este metal de transición es el cuarto elemento más abundante en la corteza terrestre, representando un 5% y, entre los metales, sólo el aluminio es más abundante. El núcleo de la Tierra está formado principalmente por hierro y níquel, generando al moverse un campo magnético. Ha sido históricamente muy importante, y un período de la historia recibe el nombre de Edad de Hierro. Es un metal maleable, de color gris plateado y presenta propiedades magnéticas; es ferromagnético a temperatura ambiente y presión atmosférica. Es extremadamente duro y pesado. Se encuentra en la naturaleza formando parte de numerosos minerales, entre ellos muchos óxidos, y raramente se encuentra libre. Para obtener hierro en estado elemental, los óxidos se reducen con carbono y luego es sometido a un proceso de refinado para eliminar las impurezas presentes.
1.2.Obtención El hierro es el metal de transición más abundante en la corteza terrestre, y cuarto de todos los elementos. También existe en el Universo, habiéndose encontrado meteoritos que lo contienen. Es el principal metal que compone el núcleo de la Tierra hasta con un 70%. Se encuentra formando parte de numerosos minerales, entre los que destacan la hematites (Fe2O3), la magnetita (Fe3O4), la limonita (FeO (OH)), la siderita (FeCO3), la pirita (FeS2), la ilmenita (FeTiO3), etcétera. Se puede obtener hierro a partir de los óxidos con más o menos impurezas. Muchos de los minerales de hierro son óxidos, y los que no, se pueden oxidar para obtener los correspondientes óxidos. En 2000 los cinco mayores productores de hierro eran China, Brasil, Australia, Rusia e India, con el 70% de la producción mundial. Actualmente el mayor yacimiento de Hierro del mundo se encuentra en la región de "El Mutún", en el departamento de Santa Cruz, Bolivia; dicho yacimiento cuenta con más de 40.000.000 de toneladas para explotar. 1.3.Separación de minerales La reducción de los óxidos para obtener hierro se lleva a cabo en un horno denominado comúnmente alto horno (también, horno alto). En él se añaden los minerales de hierro en presencia de coque (residuo duro y poroso que resulta después de la destilación destructiva del carbón, de color gris negruzco y un brillo metálico. Carbono: 92%; ceniza: 8%) y carbonato de calcio, CaCO3, que actúa como escorificante. Los gases sufren una serie de reacciones; el coque puede reaccionar con el oxígeno para formar dióxido de carbono: C + O2 → CO A su vez el dióxido de carbono puede reducirse para dar monóxido de carbono: CO2 + C → 2CO Aunque también se puede dar el proceso contrario al oxidarse el monóxido con oxígeno para volver a dar dióxido de carbono: 2CO + O2 → 2CO El proceso de oxidación de coque con oxígeno libera energía y se utiliza para calentar (llegándose hasta unos 1900 °C en la parte inferior del horno). En primer lugar los óxidos de hierro pueden reducirse, parcial o totalmente, con el monóxido de carbono, CO; por ejemplo: Fe3O4 + CO → 3FeO + CO FeO + CO → Fe + CO
especiales, razón por la que aquí se ha adoptado la definición de los comunes o "al carbono" que además de ser los primeros fabricados y los más empleados, sirvieron de base para los demás. Esta gran variedad de aceros llevó a Siemens a definir el acero como «un compuesto de hierro y otra sustancia que incrementa su resistencia». Los dos componentes principales del acero se encuentran en abundancia en la naturaleza, lo que favorece su producción a gran escala. Esta variedad y disponibilidad lo hace apto para numerosos usos como la construcción de maquinaria, herramientas, edificios y obras públicas, contribuyendo al desarrollo tecnológico de las sociedades industrializadas. A pesar de ello existen sectores que no utilizan acero (como la construcción aeronáutica), debido a su densidad (7. kg/m³ de densidad en comparación a los 2.700 kg/m³ del aluminio, por ejemplo).
2. PROPIEDADES Y CARACTERISTICAS 2.1.Hierro a) Configuración molecular: Deben hacerse notar dos propiedades fundamentales para la ingeniería civil, mismas que se deben a la configuración electro- molecular del hierro. Homogeneidad: Al decir que un material es homogéneo, se está afirmando que presenta las mismas características físico-mecánicas e incluso químicas en cualquier punto de su masa. Isotropía: Propiedad según la cual, las características físico-mecánicas no dependen de la dirección en que se mida el fenómeno (por ejemplo resistencia a tracción). b) Dureza: La dureza de un mineral se determina por su capacidad para rayar o ser rayado por otros de acuerdo con la escala de dureza llamada escala de Mohs, dicha escala es la siguiente: Dureza según las escala de Mohs Tabla.7.2.1. fuente: Dureza de minerales y rocas – Williams, 1990 Dureza Mineral Prueba característica 1 Talco Pueden rayarse con la uña 2 Yeso " 3 Calcita Se corta fácilmente con la navaja 4 Fluorita Se rayan con la navaja 5 Apatita " 6 Feldespato Se corta difícilmente con la navaja 7 Cuarzo No los raya el acero; el cuarzo 8 Topacio raya al cristal; el topacio al cuarzo; 9 Corindón el corindón al topacio y el diamante 10 Diamante al corindón
El hierro puro tiene una dureza que oscila entre 4 y 5, que es una dureza media. c) Maleabilidad: La maleabilidad es la capacidad del material de moldearse en láminas. Esta propiedad es muy útil, puesto que permite el moldeado del hierro bajo las más diversas formas sin perder resistencia y la mayoría de sus otras características. De este modo se obtienen secciones esbeltas y delgadas para un sin fin de usos. d) Ductilidad: La ductilidad es la capacidad de un material de absorber energía (normalmente con desprendimiento de calor) sufriendo una serie de cambios, pero sin que colapse la estructura molecular. En el caso del hierro, la energía se absorbe en forma de deformación, de donde se puede decir que es la capacidad de deformarse en hilos. Deformación plástica como (elongación = deformación unitaria inmediatamente antes de la fractura). También puede ser medido como la reducción de área. Esta propiedad es opuesta a la “fragilidad” e) Elasticidad: La elasticidad es la capacidad del material de deformarse bajo carga y retornar a su situación original tras haber cesado la acción de la misma. Para el caso del hierro existe un comportamiento bastante eficiente hasta cierto límite (limite elástico), por lo que se considera al hierro como un material elástico hasta tal limite (cumple la ley de Hook). El rango de esfuerzos que admite el material en su rango plástico, aunque es significativo, normalmente no se considera en ingeniería civil. Diagrama tensión – deformación Fig.7.2.1. Fuente: Diseño de Estructuras en Acero - Zapata, 1990 El valor característico para su módulo de elasticidad (razón de proporción lineal entre esfuerzo y deformación) es de 200 GPa = 2.0x10-^6 Kg/cm^2.
aleación. Isotropía: Pese a lo anterior, se puede aceptar que el acero es perfectamente isotrópico y además, perfectamente elástico (hasta su límite de fluencia). b) Dureza: La dureza de los aceros varía entre la del hierro y la que se puede lograr mediante su aleación u otros procedimientos térmicos o químicos entre los cuales quizá el más conocido sea el templado del acero, aplicable a aceros con alto contenido en carbono, que permite, cuando es superficial, conservar un núcleo tenaz en la pieza que evite fracturas frágiles. Aceros típicos con un alto grado de dureza superficial son los que se emplean en las herramientas de mecanizado, denominados aceros rápidos que contienen cantidades significativas de cromo, wolframio, molibdeno y vanadio. Los ensayos tecnológicos para medir la dureza son Brinell, Vickers y Rockwell. c) Maleabilidad: puede moldearse tal como el hierro en láminas. Se pueden obtener láminas delgadas llamadas hojalata. La hojalata es una lámina de acero, de entre 0,5 y 0,12 mm de espesor. d) Elasticidad: La descripción más completa de de esta propiedad se la realiza mediante curvas esfuerzo – deformación bajo la aplicación de esfuerzos de tracción. Se consideran los siguientes parámetros: Rango de comportamiento elástico: Es el rango de esfuerzos, a partir de la carga nula, que logran deformaciones por cargas a tracción, pero cuando las cargas son retiradas, la pieza recupera su geometría inicial. Grafico tensión deformación (rango elástico) Fig.7.2.2. Fuente: Diseño de Estructuras en Acero - Zapata, 1990 Esfuerzo de fluencia: Es el esfuerzo bajo el cual el acero continua deformándose sin necesidad de incrementar las cargas de tracción. En un gráfico tensión – deformación, este esfuerzo coincide con una línea horizontal a continuación del rango elástico y una pequeña fase de transición. (se la caracteriza como Fy).
Grafico tensión deformación (rango plástico) Fig.7.2.3. Fuente: Diseño de Estructuras en Acero - Zapata, 1990 Existen aceros trabajados en frio (para lograr mayores resistencias), que no revelan una zona de fluencia, en cuyo caso, la ASTM recomienda trazar una recta paralela a del comportamiento elástico, que arranque del eje de las deformaciones unitarias con un valor de 0.002. La intersección entre esta recta y la curva tensión – deformación define el límite de fluencia teórico. Grafico tensión deformación (aceros en frio) Fig.7.2.4. Fuente: Diseño de Estructuras en Acero - Zapata, 1990
convencionales fácilmente supera el valor de 10. Para aceros de alta resistencia se alcanza un promedio de 3 a 5. Ductilidad por deformación Fig.7.2.6. Fuente: Diseño de Estructuras en Acero - Zapata, 1990 Para la especificación del inicio de fluencia se simplifica el diagrama de tensión – deformación eliminándose la zona de transición entre el rango elástico y el límite de fluencia. La ductilidad por energía de deformación normalmente supera el orden de los 20. Ductilidad por energía Fig.7.2.7. Fuente: Diseño de Estructuras en Acero - Zapata, 1990
Para aceros de alta resistencia, destinados a pretensados y otras aplicaciones, se tiene la siguiente grafica tensión – deformación. Graficas tensión – deformación para distintos aceros Fig.7.2.8. Fuente: Diseño de Estructuras en Acero - Zapata, 1990 20000 18000 16000 14000 10000 12000 6000 8000 Recta tangente en 0 , 0 fpy fpy 280 260 200 220 fpy 240 Torón, G rado 250 180 140 160 120 100 fpy fpy 300 Torón G rado 270 A lam bre de1/2" de D iám etro varilla de acero, grado 160 V arilla de acero aleado, G rado 145 4000 60 60 0 2000 20 25 30 40 45 50 55 fpy 60 40 5 10 20 0 0 15
M odulos de
Elasticidad Ep
35 Paralela a recta tangente en 0.2 % = 2 o/oo Para los Torones Ep =27000 K lb/Plg^2 aprox. = 1´900000 kg/cm ^ Para los alam bres Ep =29000 K lb/Plg^2 A prox. = 2´100000 kg/cm ^ Para los V arillas Ep =27000 K lb/Plg^2 A prox. = 1´900000 kg/cm ^
D eform ación x 10^-
A cero de H ºA º fpu = 4200 K g/cm 2^ Esfuerzo
[kg/cm ^2]
Esfuerzo 80
[K lb/pulg^2]
(relacionado con la plasticidad). Normalmente son tenaces los materiales cuyos límites de elasticidad y de rotura están muy alejados. (Diagrama esfuerzo Vs Deformación). Diagrama tensión – deformación ilustrado Fig.7.2.8. Fuente: Diseño de Estructuras en Acero - Zapata, 1990 k) Características eléctricas: Posee una alta conductividad eléctrica. Aunque depende de su composición es aproximadamente de1.73x 6 S/m. En las líneas aéreas de alta tensión se utilizan con frecuencia conductores de aluminio con alma de acero proporcionando éste último la resistencia mecánica necesaria para incrementar los vanos entre la torres y optimizar el coste de la instalación. Esto le da al material una virtud muy importante que es la facilidad para aplicar soldaduras. l) Resistencia al desgaste: La corrosión es la mayor desventaja de los aceros ya que el hierro se oxida con suma facilidad incrementando su volumen y provocando grietas superficiales que posibilitan el progreso de la oxidación hasta que se consume la pieza por completo. Tradicionalmente los aceros se han venido protegiendo mediante tratamientos superficiales diversos. Si bien existen aleaciones con resistencia a la corrosión mejorada como los aceros de construcción «corten» aptos para intemperie (en ciertos ambientes) o los aceros inoxidables. Las aleaciones de entre un 10% a un 18% de manganeso logran un acero adecuado para resistir la corrosión (puentes metálicos). Si se introduce níquel y cromo se logra además resistencia a ataques químicos, gran dureza y elasticidad. El Molibdeno, Tungsteno y en Vanadio son las principales aleaciones usadas en la mayoría de los aceros para herramientas para proporcionar resistencia al desgaste gracias a la creación de carburos.
3. UTILIZACION
3.1.Férricos en general En la actualidad, dadas las ventajas de acero como material de construcción, ya no se emplea el hierro puro o bajo cualquiera de sus formas. 3.2.Acero a) Fabricación: El acero se obtiene eliminando las impurezas del arrabio, producto de fundición de los altos hornos, y añadiendo después las cantidades adecuadas de carbono y otros elementos. La principal dificultad para la fabricación del acero es su elevado punto de fusión, 1.400 ºC, que impide utilizar combustibles y hornos convencionales. En 1855, Henry Bessemer desarrolló el horno o convertidor que lleva su nombre y en el que el proceso de refinado del arrabio se lleva a cabo mediante chorros de aire a presión que se inyectan a través del metal fundido. En el proceso Siemens-Martin, o de crisol abierto, se calientan previamente el gas combustible y el aire por un procedimiento regenerativo que permite alcanzar temperaturas de hasta 1.650 ºC. Las clasificaciones normalizadas de aceros como la ASTM, establecen valores mínimos o máximos para cada tipo de adición. Estos elementos se agregan para obtener unas características determinadas como templabilidad, resistencia mecánica, dureza, tenacidad, resistencia al desgaste, soldabilidad. A continuación se listan algunos de los efectos de los elementos aleantes en el acero: o Aluminio: se usa en algunos aceros de nitruración al Cr-Al-Mo de alta dureza en concentraciones cercanas al 1% y en porcentajes inferiores al 0,008% como desoxidante en aceros de alta aleación. o Boro: en muy pequeñas cantidades (del 0,001 al 0,006%) aumenta la templabilidad sin reducir la maquinabilidad, pues se combina con el carbono para formar carburos proporcionando un revestimiento duro. Es usado en aceros de baja aleación en aplicaciones como cuchillas de arado y alambres de alta ductilidad y dureza superficial. Utilizado también como trampa de nitrógeno, especialmente en aceros para trefilación, para obtener valores de N menores a 80 ppm. o Cobalto: muy endurecedor. Disminuye la templabilidad. Mejora la resistencia y la dureza en caliente. Es un elemento poco habitual en los aceros. Aumenta las propiedades magnéticas de los aceros. Se usa en los aceros rápidos para herramientas y en aceros refractarios. o Cromo: Forma carburos muy duros y comunica al acero mayor dureza, resistencia y tenacidad a cualquier temperatura. Solo o aleado con otros elementos, mejora la resistencia a la corrosión. Aumenta la profundidad de penetración del endurecimiento por tratamiento termoquímico como la carburación o la nitruración. Se usa en aceros inoxidables, aceros para herramientas y refractarios. También se utiliza en revestimientos
perjudicial, ya sea al disolverse en la ferrita, pues disminuye la ductilidad, como también por formar FeP (fosfuro de hierro). El fosfuro de hierro, junto con la austenita y la cementita, forma un eutéctico ternario denominado esteadita, el que es sumamente frágil y posee punto de fusión relativamente bajo, por lo cual aparece en bordes de grano, transmitiéndole al material su fragilidad. Tratamiento del acero o Tratamientos superficiales: Debido a la facilidad que tiene el acero para oxidarse cuando entra en contacto con la atmósfera o con el agua, es necesario y conveniente proteger la superficie de los componentes de acero para protegerles de la oxidación y corrosión. Muchos tratamientos superficiales están muy relacionados con aspectos embellecedores y decorativos de los metales. Los tratamientos superficiales más usados son los siguientes:
- Cincado : tratamiento superficial antioxidante por proceso electrolítico o mecánico al que se somete a diferentes componentes metálicos.
- Cromado : recubrimiento superficial para proteger de la oxidación y embellecer.
- Galvanizado : tratamiento superficial que se da a la chapa de acero.
- Niquelado : baño de níquel con el que se protege un metal de la oxidación.
- Pavonado : tratamiento superficial que se da a piezas pequeñas de acero, como la tornillería.
- Pintura : usado especialmente en estructuras, automóviles, barcos. o Tratamientos térmicos: Un proceso de tratamiento térmico adecuado permite aumentar significativamente las propiedades mecánicas de dureza, tenacidad y resistencia mecánica del acero. Los tratamientos térmicos cambian la microestructura del material, con lo que las propiedades macroscópicas del acero también son alteradas. Los tratamientos térmicos que pueden aplicarse al acero sin cambiar en su composición química son:
- Templado : calentado y enfriado sucesivo más un proceso mecánico que le añade dureza al material sin perder tenacidad (el punto es de 900ºC).
- Revenido : Calentado del material a temperaturas inferiores a al ade templado para mejorar su trabajabilidad.
- Recocido : Calentado del material en etapas sucesivas posterior a su moldeado. Los tratamientos termoquímicos son tratamientos térmicos en los que, además de los cambios en la estructura del acero, también se producen cambios en la composición química de la capa superficial, añadiendo diferentes productos químicos hasta una profundidad determinada. Entre los objetivos más comunes de estos tratamientos están aumentar la dureza superficial de las piezas dejando el núcleo más blando y tenaz, disminuir el rozamiento aumentando el poder lubrificante, aumentar la resistencia al
desgaste, aumentar la resistencia a fatiga o aumentar la resistencia a la corrosión.
- Cementación (C) : aumenta la dureza superficial de una pieza de acero dulce, aumentando la concentración de carbono en la superficie. Se consigue teniendo en cuenta el medio o atmósfera que envuelve el metal durante el calentamiento y enfriamiento. El tratamiento logra aumentar el contenido de carbono de la zona periférica, obteniéndose después, por medio de temples y revenidos, una gran dureza superficial, resistencia al desgaste y buena tenacidad en el núcleo.
- Nitruración (N): al igual que la cementación, aumenta la dureza superficial, aunque lo hace en mayor medida, incorporando nitrógeno en la composición de la superficie de la pieza. Se logra calentando el acero a temperaturas comprendidas entre 400 y 525 °C, dentro de una corriente de gas amoníaco, más nitrógeno.
- Cianuración (C+N): endurecimiento superficial de pequeñas piezas de acero. Se utilizan baños con cianuro, carbonato y cianato sódico. Se aplican temperaturas entre 760 y 950 °C.
- Carbonitruración (C+N): al igual que la cianuración, introduce carbono y nitrógeno en una capa superficial, pero con hidrocarburos como metano, etano o propano; amoníaco (NH3) y monóxido de carbono (CO). En el proceso se requieren temperaturas de 650 a 850 °C y es necesario realizar un temple y un revenido posterior.
- Sulfinización (S+N+C): aumenta la resistencia al desgaste por acción del azufre. El azufre se incorporó al metal por calentamiento a baja temperatura (565 °C) en un baño de sales. El enfriamiento del proceso puede incluir su inmersión en aceite o el uso del aire como refrigerante. El método del tratamiento térmico, incluyendo su enfriamiento, influye en que el acero tome sus propiedades comerciales. Según ese método, en algunos sistemas de clasificación, se le asigna un prefijo indicativo del tipo. Por ejemplo, el acero O-1, o A2, A6 (o S7) donde la letra "O" es indicativo del uso de aceite (del inglés: oilquenched), y "A" es la inicial de aire; el prefijo "S" es indicativo que el acero ha sido tratado y considerado resistente al golpeo b) Clasificación: Los diferentes tipos de acero se agrupan en cinco clases principales: aceros al carbono, aceros aleados, aceros de baja aleación ultrarresistentes, aceros inoxidables y aceros de herramientas. Aceros al carbono: Más del 90% de todos los aceros son aceros al carbono. Estos aceros contienen diversas cantidades de carbono y menos del 1,65% de manganeso, el 0,60% de silicio y el 0,60% de cobre. Entre los productos fabricados con aceros al carbono figuran máquinas, carrocerías de automóvil, la mayor parte de las estructuras de construcción de acero, cascos de buques, somieres y horquillas o pasadores para el pelo. Aceros aleados: Estos aceros contienen una proporción determinada de vanadio, molibdeno y otros elementos, además de cantidades mayores de manganeso, silicio y cobre que los aceros al carbono normales. Estos aceros
veces los productos laminados hay que someterlos a fases de mecanizado para ajustar sus dimensiones a la tolerancia requerida. Acero laminado Fig.7.3.1. Fuente: Materiales de Construcción - McGrau Hill, 1995 Acero forjado: La forja es el proceso que modifica la forma de los metales por deformación plástica cuando se somete al acero a una presión o a una serie continuada de impactos. La forja generalmente se realiza a altas temperaturas porque así se mejora la calidad metalúrgica y las propiedades mecánicas del acero. El sentido de la forja de piezas de acero es reducir al máximo posible la cantidad de material que debe eliminarse de las piezas en sus procesos de mecanizado. En la forja por estampación la fluencia del material queda limitada a la cavidad de la estampa, compuesta por dos matrices que tienen grabada la forma de la pieza que se desea conseguir. Acero forjado Fig.7.3.2. Fuente: Materiales de Construcción - McGrau Hill, 1995
Acero corrugado: El acero corrugado es una clase de acero laminado usado especialmente en construcción, para emplearlo en hormigón armado. Se trata de barras de acero que presentan resaltos o corrugas que mejoran la adherencia con el hormigón. Está dotado de una gran ductilidad, la cual permite que a la hora de cortar y doblar no sufra daños, y tiene una gran soldabilidad, todo ello para que estas operaciones resulten más seguras y con un menor gasto energético. Acero corrugado Fig.7.3.3. Fuente: Materiales de Construcción - McGrau Hill, 1995 Malla de acero corrugado: Las barras de acero corrugado, están normalizadas. Por ejemplo en España las regulan las normas (UNE 36068:1994- UNE 36065:2000 – UNE36811:1998). Las barras de acero corrugados se producen en una gama de diámetros que van de 6 a 40 mm, en la que se cita la sección en cm² que cada barra tiene así como su peso en kg. Las barras inferiores o iguales a 16 mm de diámetro se pueden suministrar en barras o rollos, para diámetros superiores a 16 siempre se suministran en forma de barras. Las barras de producto corrugado tienen unas características técnicas que deben cumplir, para asegurar el cálculo correspondiente de las estructuras de hormigón armado.
