Jornadas SAM 2000 - IV Coloquio Latinoamericano de Fractura y Fatiga, Agosto de 2000, 893-899

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IDENTIFICACION Y CARACTERIZACION DE UN ACERO Y UNAFUNDICION UTILIZADOS EN LA CONSTRUCCION DE PUENTESFERROVIARIOS A FINES DEL SIGLO PASADO

A. Picassoa/b, R. Romeroa/b y A. Cunibertia/c

a Instituto de Física de Materiales Tandil (IFIMAT)-UNCentro, Pinto 399, (7000) Tandil(Provincia de Buenos Aires, Argentina)

b Comisión de Investigaciones Científicas de la Provincia de Buenos Aires (CICPBA)c Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET)

RESUMENSe presenta el estudio de un acero y de una fundición utilizados en la construcción de

puentes ferroviarios, los cuales han sido fabricados entre 1890 y 1910. Teniendo en cuentaque los métodos utilizados en la fabricación de acero en aquella época difieren de los actuales,es de interés identificar y analizar las características de estos materiales, y compararlas con lasde un acero moderno de similar composición (acero testigo). Los resultados obtenidos revelanque el acero estudiado presenta las características de un hierro pudelado (acero extradulce coninclusiones no metálicas), el cual habría sido conformado por un proceso de soldadura enpaquetes, de uso de la época. Un estudio similar realizado en la fundición permitiócaracterizar la microestructura, compuesta por grafíto laminar y una fase matriz perlíta-steadita. La presencia de steadita obedece al alto contenido de fósforo del material, mayor alde una fundición gris de uso actual.

Palabras clavesAcero Antiguo, Pudelado, Fundición Perlíta-Steadita

INTRODUCCIONSe ha realizado un estudio sobre muestras de material correspondientes a puentes

ferroviarios situados en las ciudades de Salsipuedes y Pororó en la República Oriental delUruguay. Recientemente, debido a la necesidad de incrementar la carga por eje de vagón, lasautoridades ferroviarias del vecino país han realizado un llamado a licitación con el objeto dereforzar los puentes ferroviarios existentes. Una empresa interesada en dicha presentaciónsolicitó asesoramiento a nuestro Instituto, acerca del estado de conservación y característicasdel material de los puentes. De acuerdo con la información brindada por la empresa, estosmateriales fueron fabricados en el Reino Unido entre 1890 y 1910 y utilizados para laconstrucción de puentes ferroviarios en la India, los que posteriormente, fueron desmontadosy armados en la R. O. del Uruguay, durante el periodo de extensión de la red ferroviaria.

En este trabajo se presentan los resultados más relevantes del estudio realizado.

PARTE EXPERIMENTALLa empresa evaluó in situ el estado de los puentes y seleccionó secciones para ser

estudiadas, de esta manera se nos entregaron dos trozos de acero y uno de fundición. Las

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muestras de acero fueron extraídas de perfil tipo L, consistieron en trozos de planchuela de12.5 mm de espesor por 80 mm de largo y 60 mm de ancho. A partir de alli, se cortaron yprepararon muestras para determinar su composición química y caracterizar lamicroestructura a través de microscopía óptica. En forma paralela, se prepararon muestraspara determinar microdureza. A partir del material restante, se mecanizaron 3 (tres) probetasplanas con una longitud útil de l o = 25 mm y una sección rectangular de So = 20 mm2, para larealización de ensayos de tracción a temperatura ambiente.

La pieza de fundición recibida, correspondería a uno de los apoyos móviles del puente.De la misma se cortaron y prepararon muestras para su análisis.

RESULTADOS

Composición químicaLas muestras de acero presentaron una alta densidad de poros e inclusiones, por lo

cual fue necesario determinar su composición por el método de vía húmeda. La tabla 1muestra la composición química del acero, como así también, las correspondientes a un acero1008 (acero testigo) y una composición típica de hierro pudelado para su comparación [2].

Tabla 1: Composición química del acero (% en peso).C Mn Si P S Escoria

Acero antiguo 0.05 0.15 0.12 0.14 0.026 Si (cant. Nodeterm).

IRAM 1008 [1] 0.10 max 0.30-0.70 0.10 max 0.040 max 0.050 max NoFe pudelado [2] 0.08 0.015 0.158 0.62 0.010 1.20

En la Tabla 2 se presenta la composición química de la fundición antigua, determinadamediante espectroscopía de absorción. Se presenta además la composición de una fundicióngris típica de uso actual.

Tabla 2: Composición química de la fundición (% en peso)C Si Mn P S HB

Fundición Antigua 2.73 1.77 0.49 >1 0.076 115Fundición gris parapiezas grandes [3] 2.75-3 15-1.9 0.5-0.7 0.07-0.15 0.05-0.2 180-217

MicroestructuraAcero:

Observaciones realizadas en muestras pulidas sólo mecánicamente revelaron lapresencia de una fracción en volumen alta de inclusiones no metálicas en el plano delaminación, Figura 1.

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Figura 1: Inclusiones no metálicas (escoria) en muestras del material

En la Figura 2 se observa el aspecto de las inclusiones en el plano perpendicular al delaminación como también capas alternadas con distintos tamaños de grano.

Figura 2: Inclusiones vistas en el plano perpendicular al plano de laminación (rotada 45º

respecto de la Figura 1). 3x.

Esta estructura se presenta con mayor detalle en las Figuras 3(a)-(b). Para la capa degranos grandes se determinó un tamaño de grano medio dm = 120 µm y para la de granospequeños dm = 23.5 µm, siendo el espesor aproximado de cada capa de 700 y 500 µm, para lacapas de grano grueso y pequeño, respectivamente. En la capa de granos pequeños se observauna distribución de granos uniforme con una relación de aspecto próxima a uno, mientras queen la de granos grandes la distribución no es tan homogénea.

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Figura 3: Capas con distintos tamaños de grano observadas en la microestructura.(a) 80x. (b) 240x

La fase matriz está constituida por ferrita; el valor de microdureza obtenido fue Hv152 ± 3 propio de esta fase de dureza inferior a HRC 0 [2]. Las inclusiones no metálicas sonmás duras que la fase matriz con un valor promedio Hv 367 ± 3.

Las características descriptas son comunes a las dos muestras de acero recibidas.

Fundición:La microestructura revelada mostró las características de una fundición gris con

grafito laminar, cuya matriz está constituida por perlita y una fase compleja no identificada,Figura 4.

Figura 4: Micrografía de la fundición antigua. 400x

Es conocido que un alto contenido de fósforo en fundiciones de este tipo conduce a lapresencia de steadita, por lo que es posible que esta sea la fase compleja. Se realizó un ataquequímico utilizando picro-nital durante 10 minutos, el cual colorea todas excepto la fasesteadita [4]. En la Figura 5 se presenta la microestructura luego del ataque, se observa la fasesteadita sin atacar, en su interior se observan precipitados de fosfuros de hierro.

a b

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Figura 5: Fase eutéctica steadita (zonas brillantes) conteniendo fosfuros de Fe. También seobserva el grafito laminar (gris claro) 160x.

La steadita es una fase eutéctica de ferrita y fosfuro de Fe, con un 10% de P. Posee unbajo punto de fusión (960ºC) y generalmente se la encuentra en bordes de grano ya que es laúltima fase en solidificar, se presenta en las fundiciones cuando el contenido de P está porencima del 0.15% [3].

Propiedades Mecánicas

Acero:Con el fin de caracterizar las propiedades mecánicas del acero, se realizaron ensayos

de tracción a temperatura ambiente. En la tabla 3 se presentan los valores medios de tensiónde fluencia al 0,2 %, la tensión máxima y la deformación total alcanzada en este material;como así también en un acero similar moderno de construcción y de hierro pudelado, tomadosestos dos últimos valores de la bibliografía [1,2]

Tabla 3: Características mecánicas del acero estudiado, de un acero de construcción y delhierro pudelado

σσ0.2 [MPa] σσmax [MPa] εε [%] EstadoEste material 248±10 305±13 8 Laminado

Iram 1008 [1] 190-250 300-380 30-38 LaminadoFe pudelado 189-210 [2] 336-350 [2] 5-25 [5] Laminado

Fundición :Se determinó la dureza Rockwell y se obtuvo un valor equivalente en Brinell de 115.

Esta difiere considerablemente de aquel correspondiente a una fundición gris para piezasgrandes de este tipo (HB 180-217). Es de señalar que la mayor discrepancia en composiciónentre las dos fundiciones es el alto contenido en fósforo de la estudiada.

Se determinó ademas la microdureza Vickers en la steadita y se obtuvo un valor de Hv340 ± 10. Este valor está de acuerdo con aquel dado en la bibliografía [2], entre 300 y 350 Hv.Este resultado confirma la identificación realizada metalográficamente. El fosfuro de hierro,el cual forma parte de la steadita, tiene una dureza muy elevada, 600 a 700 HV, conduciendoa que la steadita presente una alta dureza.

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ANÁLISIS DE LOS RESULTADOSEl acero estudiado presenta una estructura ferrítica con un alto contenido de escoria o

inclusiones no metálicas. Para el tiempo de fabricación de los puentes, fin del siglo XIX, elmétodo de fabricación del acero mas establecido en el Reino Unido era el de hornos decorazón abierto [6], el alto contenido de escoria observado en este caso sugiere que el métodode fabricación ha sido el mas primitivo denominado pudelado. La tabla 1 muestra lacomposición química del material estudiado y de un hierro pudelado de buena calidad. Puedeobservarse que ambos materiales presentan una composición química muy similar,exceptuando el contenido de Mn, donde el primero muestra una concentración mayor. De lamisma forma, en la tabla 3 se observa que las propiedades mecánicas de ambos materiales soncomparables.

El hierro pudelado fue un material muy utilizado desde fines de 1700 hasta comienzosdel presente siglo en la construcción de estructuras metálicas, en general. El mismo consisteen un metal heterogéneo impuro, obtenido en hornos de pudelar en estado pastoso pordescarburación de la fundición y que en el interior de su masa metálica contenía gran cantidadde pequeñas partículas de escoria (inclusiones no metálicas) [2,5]. Para su utilización, elmaterial era previamente laminado presentando mayor resistencia a la tracción y mayorductilidad en el sentido longitudinal de laminación que en el transversal.

Un aspecto interesante surgió al hacer observaciones de tamaño de grano mediantemicroscopía óptica, donde se encontró una distribución de tamaños de grano en forma decapas. Esta estructura podría haberse originado durante la última etapa del proceso defabricación [5, 6, 7], durante la cual varias planchas de material eran superpuestas ycalentadas hasta alcanzar la temperatura de soldabilidad para luego ser laminadas en caliente,obteniéndose una única pieza (soldadura en paquete).

La superficie de fractura reveló un modo de deformación “estratificado”, con capasparalelas a la dirección de laminación y sin estrangulamiento en la zona de rotura. En estesentido, el material se comportó como si se hubiese fabricado a partir de láminas delgadas,adheridas en forma de sandwich, lo cual es consistente con la microestructura observada y elproceso de trabajado descripto.

En cuanto a las inclusiones observadas, no hemos podido caracterizarlas medianteataques con reactivos químicos; sin embargo, de acuerdo con las micrografías, dureza ycomposición química del material, es posible que se trate de una escoria rica en silicatos demanganeso y hierro, agregada durante el proceso de fabricación. Se observó que las mismasestán orientadas en la dirección de laminación, su color es gris oscuro, con alta magnificaciónse observan diferencias de coloración que pueden ser atribuídas a heterogeneidades en lacomposición [8]. Los silicatos son compuestos muy duros y se observan alargados cuando elmaterial ha sido sometido a un proceso de laminado, con una reducción importante en suespesor [5].

Es interesante destacar el excelente estado de conservación del material, luego de unsiglo de vida útil, ya que se observó una película muy delgada de óxido de hierro en susuperficie. Esta característica es una de las propiedades que presenta el hierro pudelado [2], yaque posee una alta resistencia a la corrosión.

En cuanto a la fundición de hierro, de acuerdo con la Tabla 2, esta correspondería auna fundición gris con bajo contenido de aleantes a excepción del fósforo. El alto contenidode fósforo permite mejorar la colabilidad [2] y conduce a la formación de steadita. Este es uncompuesto relativamente frágil, que presenta una alta dureza. Posiblemente, la pieza defundición estudiada haya sido utilizada como punto de apoyo del puente. Esta se fijaría a la

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columna de material, permitiendo un libre desplazamiento por rozamiento de la armadurasobre ésta, en el caso de sufrir una dilatación la estructura. Otra característica interesante dedestacar es que este tipo de fundición presenta buena resistencia al desgaste, principalmente,por la presencia de esta fase.

CONCLUSIONESEl estudio sobre la caracterización de aleaciones utilizadas en la construcción de

puentes ferroviarios condujo a las siguientes conclusiones :En el caso del acero se trata de un acero de baja aleación, del tipo hierro pudelado,

cuya microestructura revela claramente el proceso de fabricación mediante la deformación encaliente de láminas superpuestas.

Las inclusiones no metálicas serían compuestos de silicato de manganeso y hierro,material que se agregaba habitualmente al hierro para obtener el hierro pudelado.

La fundición presenta un alto contenido de fósforo, comparado con una fundición grisordinaria actual. Esto conduce a la formación de steadita como una de las fases principales.

Luego de un siglo de uso en un ambiente natural no especialmente protegido, tanto elhierro pudelado como la fundición presentan un estado de conservación muy satisfactorio.

AGRADECIMIENTOSSe agradece el apoyo de la Comisión de Investigaciones Científicas de la Provincia de

Buenos aires y de la SeCyT de la UNCentro.

REFERENCIAS1. Aceros para Construcciones Mecánicas-Hojas de Características, IAS, Octubre 1981.2. Introducción a la Metalurgia Física, S. H. Avner, Ed. McGraw-Hill, 1966.3. Fundiciones, J.Apraiz, Ed.Dossat, 1981.4. Metalografía Microscópica. A. Sturla y E. Castellano, Lib. y Ed. Alsina, 1951.5. Aceros Especiales y otras aleaciones. J. Apraiz Barreiro, Ed. Dossat, Madrid, 1975.6. An Introduction to Metallurgy. A. Cottrell, Ed, E. Arnold, London, 1975.7. Siderurgia. P.A.Pezzano, Lib.y Ed.Alsina, 1976.8. Tratamientos térmicos de los Aceros. J.Apraiz Barreiro, Ed.CIE, 1997.