Propiedades del AceroRicardo Herrera MardonesDepartamento de Ingeniera Civil, Universidad de ChileSantiago, ChileOctubre de 2006

CONTENIDOPropiedades del AceroIntroduccinProceso de fabricacinPropiedades del aceroTipos de aceroTipos de miembros de aceroUsos del acero

1. IntroduccinAleacin de Fe y C (~0.05-2%).Puede contener otros elementos como Mn, Ni, Nb, Cr, V, P, S, Si, Cu, etc.Porcentaje y elementos de aleacin pueden modificar propiedades del acero.Carbono Equivalente(CE%) = C% + (Mn%/6) + ((Cr%+Mo%+V%)/5) + ((Ni%+Cu%)/15)QUE ES EL ACERO?

1. IntroduccinALEACIONES

ElementoEfectoCOBRE Mejora resistencia a corrosin atmosfrica.MANGANESODesoxidante, neutraliza azufre, facilitando trabajo en caliente. Mejora la resistenciaSILICIOSe emplea como desoxidante y acta como endurecedor en el acero de aleacin.FOSFORO Y AZUFREPerjudican la tenacidad del acero

1. IntroduccinAlta resistenciaUniformidad y homogeneidadRango elstico amplioDurabilidadDuctilidad y tenacidadRapidez de construccinReciclabilidadVENTAJAS DEL ACERO

2. Proceso de FabricacinFuente: Infoacero.clCONVERTIDOR DE OXIGENODE ALTO HORNO

2. Proceso de FabricacinFuente: Infoacero.clCONVERTIDOR DE OXIGENODE ALTO HORNO

2. Proceso de FabricacinHORNO DE ARCOELECTRICO

2. Proceso de FabricacinFuente: Infoacero.clAFINO DEL ACEROY LAMINACION

2. Proceso de FabricacinProcesos de laminado en calienteLaminado en caliente tradicional.

Laminacin controlada.Laminado de normalizacin (N)Laminacin termomecnica controladaEnfriamiento aceleradoTemple y autorrevenidoPROCESOS DELAMINACION

4. Propiedades del aceroEstructura cristalinaPROPIEDADESFISICASCristal cbico demalla centradaCristal cbico decara centrada

4. Propiedades del aceroPropiedades metlicas caractersticasbuena ductilidad (o maleabilidad).conductividad trmica elevada.conductividad elctrica elevada.brillo metlico.PROPIEDADESFISICAS

4. Propiedades del aceroResistencia a la CorrosinCorrosin: prdida de seccin debido a reacciones qumicas o electroqumicas con medioambiente.Resistencia depende de:Composicin qumicaPROPIEDADESFISICAS

4. Propiedades del aceroEnsayo a traccinPROPIEDADESMECANICAS

4. Propiedades del aceroPROPIEDADESMECANICASAcero dulceAcero de alta resistenciaFyd

4. Propiedades del aceroPROPIEDADESMECANICASCurva idealizada esfuerzo-deformacin del acero

4. Propiedades del aceroMdulo de YoungE = 200000 MPa

Modulo de PoissonElsticon = 0.3 (aumento de volumen)Plsticon = 0.5 (volumen constante)

PROPIEDADESMECANICAS

4. Propiedades del aceroResistencia a la fractura (tenacidad)Imperfecciones son microgrietas.Inclusiones y dislocaciones dependen de la composicin, el proceso de laminacin y el tratamiento trmico.Grietas generan concentracin de tensiones.Existe longitud crtica de grieta que inicia la propagacin de la grietaPROPIEDADESMECANICAS

4. Propiedades del aceroMquina de Ensayo CharpyPROPIEDADESMECANICASProbeta

4. Propiedades del aceroDureza:Resistencia a penetracin superficial.

Mtodos de ensayo

Dinmicos: ensayo de dureza al impacto y ensayo de dureza Shore

Estaticos: ensayo Brinell, ensayo Vickers y ensayo RockwellPROPIEDADESMECANICAS

4. Propiedades del aceroComposicin qumicaTratamiento trmicoEstado de esfuerzosHistoria de deformacionesTemperaturaVelocidad de carga (deformacin)FACTORES

4. Propiedades del aceroEstado multiaxial de esfuerzosVon Mises:

FACTORESESTADO DE ESFUERZOS

4. Propiedades del aceroFACTORESHISTORIA DEFORMACIONES

4. Propiedades del aceroFACTORESTEMPERATURA

4. Propiedades del aceroFACTORESVELOCIDAD DE CARGA

4. Tipos de AceroAceros al carbonoContienen diversas cantidades de C y menos del 1,65% de Mn, el 0,60% de Si y el 0,60% de Cu. Ejemplo: A36Aceros aleadosContienen V, Mo y otros, adems de cantidades mayores de Mn, Si y Cu que los aceros al carbono. Ejemplo: A514Aceros de baja aleacin y alta resistenciaContienen cantidades menores de aleacin. Tratados para obtener resistencia mucho mayor que la del acero al carbono. Ejemplo: A572, A992.Aceros inoxidablesContienen Cr, Ni y otros para resistir oxidacin.CLASIFICACIONSEGUN COMPOSICION

5. Tipos de elementos de acero estructuralPerfiles LaminadosAnguloTeCanalPerfil WBarraPlaca

5. Tipos de elementos de acero estructuralPerfiles plegados (en fro)Tubo circularTubo rectangularPerfiles plegados y soldados

6. Usos del acero Estructuras de marco: edificios, torres, puentes, galpones.

6. Usos del acero Cscaras y membranas: estanques, silos, calderas, cascos de barco.

6. Usos del acero Estructuras suspendidas: puentes, techos.

*Propiedades del Acero*En este captulo se presentan las caractersticas y propiedades principales del acero. El captulo parte describiendo que es el acero, para luego describir la fabricacin del acero y su conformacin en placas y perfiles. A continuacin, se describen las propiedades fsicas y mecnicas de relevancia para el diseo en acero. Por ltimo, se presentan los diferentes tipos de acero, tipos de miembros de acero y tipos de estructuras de acero que existen.*Los aceros son aleaciones de hierro (Fe) y carbono (C) junto con varios elementos ms, algunos de los cuales son impurezas inevitables mientras que otros se aaden deliberadamente. El carbono es el que ejerce una mayor influencia sobre la microestructura y las propiedades del material. Los aceros suelen tener un contenido en carbono inferior al 1% en peso.Los aceros estructurales contienen menos de un 0,25% de carbono: el otro elemento principal de la aleacin es el manganeso, que se aade en cantidades de hasta alrededor del 1,5%. Otros elementos de la aleacin son cromo (Cr), nquel (Ni), molibdeno (Mo), etc. Elementos tales como el azufre (S), fsforo (P), nitrgeno (N) e hidrgeno (H) suelen tener un efecto perjudicial sobre las propiedades fsicas, por lo que durante la fabricacin del acero se toman medidas para reducir su contenido.Para medir la cantidad de aleacin presente en un acero se utiliza el concepto de Carbono Equivalente (CE). Este ndice tiene una influencia importante en varias de las propiedades del acero. Los aceros estructurales tienen hasta un 0.4% de contenido de Carbono Equivalente.*Los elementos de aleacin especficos y sus cantidades determinan el tipo de acero de aleacin y sus propiedades particulares.Se muestran en la tabla los efectos de los elementos de aleacin ms comunes.*El acero presenta varias ventajas como material estructural:Es el material de construccin convencional de ms alta resistenciaPara efectos prcticos, se puede considerar como un material homogneo y uniformePosee un amplio rango de deformaciones para el que se comporta elsticamenteSi se toman las medidas adecuadas, el acero puede durar muchos aosTiene gran capacidad de deformacin inelstica y resistencia a fracturaEs modular y rpido de construirEs 100% reciclable.*La fabricacin del acero se realiza a travs de dos mtodos: El convertidor bsico de oxgeno de alto horno ("Basic Oxygen Converter" (BOF)) El horno de arco elctrico (Electrical Arc Furnace (EAF))En la produccin de acero bruto su participacin es del 70% (BOF) y del 30% (EAF). El primer mtodo adquiere un papel dominante cuando se trata de ndices elevados de produccin y de la fabricacin de acero bajo en impurezas. Los bajos costes energticos y un amplio suministro de chatarra reciclada aseguran al segundo mtodo una cuota de mercado competitiva, sobre todo cuando se utiliza el horno UHP (Ultra High Power).El proceso de fabricacin del acero es el siguiente:El alto horno se alimenta de hierro sinterizado, producido en la planta de sinterizacin. En el proceso de sinterizacin se carga una mezcla de finos de mineral de hierro, cal y coque (carbono casi puro), y se funde parcialmente para formar una mezcla porosa de xidos de hierro y ganga.El horno alto es un horno de tipo cuba que funciona mediante la tcnica de contracorriente:la carga descendente de sinterizado y coque, cargada por la parte superior del horno, es calentada y reducida por los gases de la combustin que ascienden de la zona de tobera, donde se inyecta un chorro de aire caliente para quemar el C y convertirlo en CO. El chorro de aire se comprime por medio de un soplante y se calienta en estufas especiales a 1100C, por medio de la combustin de los gases de escape depurados del horno. El CO reduce los xidos de hierro (FeO, Fe2O3) y algunos de los elementos presentes en la ganga del sinterizado, para producir metal lquido. El polvo del tragante del horno alto, que contiene cerca de un 40% Fe, se recicla en el proceso de sinterizado. Por debajo de la zona de tobera, donde se da la mayor temperatura, el material fundido se acumula en el crisol, donde el hierro lquido (fundicin bruta) se separa de la escoria por la diferencia de densidad. La escoria y la fundicin bruta lquida (arrabio) se extraen desde diferentes piqueras. El arrabio se vacia a cucharas o torpedos (capacidad: 300 - 400 t) y se transporta a la acera para su afinado y conversin en acero.Al final de este proceso, el mineral de hierro sinterizado se ha reducido a hierro bruto en el alto horno.*El hierro bruto se transforma entonces en el convertidor de oxgeno en acero bruto.El horno bsico de oxgeno o convertidor LD (por el proceso Linz-Donawitz iniciado en 1956) est basado en la inyeccin de oxgeno a la colada de metal lquido por medio de una lanza. En el convertidor se cargan chatarra y cal para enfriar la colada y eliminar el fsforo, el silicio y el manganeso. El convertidor est revestido con una capa refractaria de dolomita o magnesita.El oxgeno quema el carbono como monxido de carbono CO y gas carbnico CO2 que se recoge en el can de chimenea y se limpia de polvo (Fe203 y partculas de cal, etc.). Los elementos Mn, Si y P se oxidan y combinan con la cal (CaO) y el FeO formado por la oxidacin del Fe, para formar una escoria fundida.Al ser estas reacciones de oxidacin altamente exotrmicas, el proceso exige un enfriamiento para controlar la temperatura de la colada. Este enfriamiento se realiza cargando chatarra (residuos de fabrica y laminacin reciclados) y aadiendo mineral de hierro durante el proceso de soplado.El acero se vierte a la cuchara a travs de una piquera, inclinando el horno. En el transcurso de esta operacin se aaden ferroaleaciones a la cuchara para controlar la composicin del acero.*En el proceso de horno de arco elctrico, la carga metlica fra, principalmente chatarra, se funde mediante la energa de arcos elctricos generados entre los extremos de electrodos de grafito y la carga metlica conductora.Los tres electrodos y la bveda del horno se levantan y retiran del blindaje del horno girndolos para permitir la carga de la chatarra. Los electrodos mantienen el arco de acuerdo con el voltaje y el nivel de corriente escogidos para producir la potencia deseada a la deseada longitud de arco para la fusin y afino. Dado que durante el perodo de fusin el ruido generado por los arcos es elevado, con niveles de hasta 120 dBA, la cabina de operarios est especialmente protegida y el horno posee un cerramiento especial. Estos hornos tienen un dimetro interno de 6 a 9 metros y una capacidad de 100 a 200 toneladas de acero.*Las unidades de fusin de alto rendimiento, tales como convertidores u hornos de arco elctrico no proveen suficiente control de los contenidos de aleacin. El contenido en nitrgeno y fsforo se puede reducir a niveles bajos en el convertidor, pero slo se pueden obtener niveles muy bajos (< 2 ppm) de contenido en carbono, azufre, oxgeno e hidrgeno mediante un tratamiento subsiguiente en la cuchara. Para asegurar un acondicionamiento apropiado del acero antes del proceso de colada, en la metalurgia de cuchara se llevan a cabo la aleacin del acero conforme a un anlisis especfico y tratamientos de afino especiales.Los objetivos de la fabricacin de acero en cuchara (afino) se pueden resumir como sigue: afino y desoxidacin eliminacin de los productos de la desoxidacin (Mn0, SiO2, Al2O3) desulfuracin a niveles muy bajos (< 0,008%) homogeneizacin de la composicin del acero ajuste de la temperatura para la colada, recalentando si es necesario (horno de cuchara) eliminacin de hidrgeno a niveles muy bajos mediante tratamiento de vaco.Una vez terminado el proceso de afino, el material pasa a la colada continua para proceder a la solidificacin del material. El elemento principal del proceso de colada continua es el molde de cobre oscilante enfriado con agua. Su principal funcin es formar una lmina solidificada de acero que tenga la resistencia suficiente para impedir rebabas por debajo del molde.Al abandonar el molde, la hilera de material es enfriada por medio de rociadores de agua y se apoya en cilindros para evitar el pandeo hasta que se complete la solidificacin. Las secciones de la hilera de material cubren la gama de productos semiacabados, como palanquillas, desbastes cuadrados o desbastes rectangulares, destinados a los laminadores de acabado en caliente.*Las palanquillas o planchones que salen del proceso de colada continua deben ser recalentados antes de ser sometidos al proceso de laminacin en caliente. Existen dos tipo de proceso de laminado en caliente que difieren en sus objetivos: laminado en caliente tradicional y laminacin controlada. En el primer caso se trata de producir la forma requerida con el mnimo nmero de pasadas de cilindro, mientras que en el segundo el objetivo es aumentar resistencia y tenacidad del acero mediante control cuidadoso de la temperatura y la deformacin durante el laminado. Dentro de los procesos de laminacin controlada tenemos el laminado de normalizacin y la laminacin termomecnica controlada.*El acero est conformado por cristales de fierro. La estructura interna de los granos cristalinos est compuesta de tomos de hierro dispuestos conforme a un patrn regular tridimensional. La figura de la izquierda representa la estructura cristalina del acero a temperatura ambiente. Se trata de la estructura cristalina cbica de mallas centradas; los tomos se encuentran en las esquinas y en el centro del cubo. La malla es de solo 0,28 mm en sus aristas. Un grano tpico se compone de alrededor de 10 elevado a 15 repeticiones de esta malla. Esta estructura determina la metalurgia y propiedades de los aceros.La estructura cristalina cambia con el aumento de temperatura. Con el hierro puro este cambio se produce a los 910 C. Los cristales cbicos de mallas centradas (cmc) de la izquierda se convierten en cristales cbicos de caras centradas (ccc), mostrados a la derecha. En los cristales ccc, los tomos de hierro estn en las esquinas del cubo y en el centro de cada cara del cubo. La posicin de mallas centradas est vaca.En el acero, el carbono se encuentra en solucin con el fierro, ocupando los espacios vacos entre los tomos de este elemento.*El acero, como otros metales y aleaciones, presenta las cuatro propiedades metlicas indicadas. Estas propiedades son consecuencia de la estructura del material.La ductilidad es consecuencia de la falta de direccionalidad en el enlace de los tomos y de la naturaleza compacta de las estructuras cristalinas, lo cual normalmente permite que se produzca un profuso deslizamiento cristalogrfico bajo tensin. La no direccionalidad del enlace permite asimismo que las vibraciones trmicas se transmitan con facilidad de un tomo vibrante a los contiguos, de ah la elevada conductividad trmica. La existencia de electrones libres proporciona la conductividad elctrica elevada. Estos electrones libres son tambin los responsables del brillo metlico, pues puede absorberse y volverse a irradiar fcilmente luz incidente de una gran gama de longitudes de onda.*Otra propiedad fsica importante es la resistencia a la corrosin.Todos los aceros sufren corrosin. Sin embargo, en algunos, la capa de corrosin superficial que se forma sirve de proteccin 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.*Las propiedades mecnicas de los materiales se determinan utilizando probetas y procedimientos de ensayo normalizados. Para los materiales dctiles como la mayora de los aceros el mtodo de ensayo ms empleado es el de ensayos de traccin. La figura muestra el esquema de una mquina para ensayar cupones de acero en traccin.Durante los ensayos es necesario controlar la velocidad y temperatura de ensayo.*Las figuras muestran los resultados de un ensayo de traccin para un acero corriente al carbono y un acero de alta resistencia. Durante el ensayo se miden la carga (P) y el alargamiento (DeltaL), obtenindose el diagrama tensin (sigma)-deformacin (epsilon) atendiendo a las dimensiones de la pieza de ensayo. La tensin nominal o ingenieril sigma es la carga P dividida por el rea original de la seccin transversal y la deformacin ingenieril es igual al cambio de longitud con respecto a la longitud inicial.Aceros dulces presentan una discontinuidad entre los regmenes elstico y plstico, con un lmite de fluencia marcado seguido de un breve perodo de deformacin plstica irregular.*El diagrama tensin-deformacin ingenieril se puede dividir entre zonas: deformacin elstica, alargamiento plstico uniforme con tensin en aumento constante (e < eu) y alargamiento plstico irregular (e > eu).El fenmeno de la fluencia est descrito por: la tensin mxima de fluencia Fyd al iniciarse la fluencia (esfuerzo de fluencia dinmico). la tensin mnima de fluencia Fys, que es el valor de tensin durante la propagacin de las bandas de Lder (esfuerzo de fluencia esttico).En el caso de que el acero no presente un lmite elstico bien definido, la tensin de fluencia se define como la tensin que genera un 0.2% de deformacin permanente.Dentro del alargamiento uniforme, solo es posible una deformacin plstica ulterior mediante una carga en constante aumento. La densidad de dislocacin aumenta conforme se incrementa la deformacin, dificultando una ulterior deformacin debido a la interaccin entre las dislocaciones. Este efecto se conoce como endurecimiento por deformacin en fro.En la tercera zona la deformacin de la probeta contina estrechndose, aunque esto ocurre ahora localmente. La tensin a la que empieza el estrechamiento es la tensin de rotura Fu y la deformacin asociada es eu.*La pendiente de la zona elstica (mdulo de Young) no vara significativamente con la resistencia del material y es relativamente constante para todos los aceros.En la zona elstica el coeficiente de Poisson tiene un valor de aproximadamente 0.3. Esto implica que el volumen del material elsticamente deformado est aumentando. En la zona plstica, con deformaciones mucho mayores, el volumen del material no cambia de forma significativa y el coeficiente de Poisson tiene un valor de 0.5.*La resistencia a la fractura es una propiedad muy importante, especialmente en aplicaciones ssmicas y de cargas repetidas.Las inclusiones y dislocaciones que aparecen en el material debido al proceso de fabricacin son imperfecciones a partir de las que se pueden generar grietas en el material.Si estas grietas son lo suficientemente largas, se propagan y eventualmente generan una fractura en el miembro de acero.*Para evaluar la susceptibilidad a fractura se realiza el ensayo Charpy. La probeta es un trozo del material a evaluar al que se le ha hecho una muesca para generar una zona de concentracin de tensiones. Esta probeta se coloca en la mquina, que es un pndulo graduado cuyo brazo se levanta y se deja caer para que impacte la probeta. La altura a la cual se produce la rotura de la probeta se relaciona con la energa requerida para producir la fractura. Las normas establecen valores mnimos que debe cumplir el acero dependiendo de la aplicacin.*Dureza es la medida de la resistencia a la deformacin cuando se hace penetrar un instrumento de indentacin cargado en la superficie del metal sometido a ensayo.Existen varios mtodos de ensayo que se correlacionan relativamente bien. Los ensayos dinmicos tienen la ventaja de la rapidez, pero no son tan precisos como los ensayos estticos.

*Los distintos factores que afectan las propiedades del acero son:Composicin qumica: ya hemos hablado del efecto de las aleaciones.Tratamiento trmico: tratamientos en los cuales se cambia la temperatura del producto en estado slido. Afectan las propiedades de resistencia, ductilidad y tenacidad, debido a que modifican el tamao de grano del material. En general, para tamaos de grano menores, el material tendr mayor resistencia y ductilidad.Los otros factores son discutidos a continuacin.*En muchas situaciones tericas existen tensiones en ms de una direccin. La direccin y la magnitud de las tensiones influye sobre el inicio de la fluencia. En la compresin triaxial equilibrada que se representa en la figura no es posible la fluencia del material, porque no tiene donde ir hasta que no se produzca una rotura en la estructura atmica de los cristales a varias rdenes de magnitud de tensin por encima de la tensin de fluencia uniaxial.Varios criterios han sido propuestos para evaluar la fluencia en condiciones de esfuerzos multiaxiales. Los ms usados se presentan en la figura inferior, para el caso plano.*Supongamos que aplicamos carga a un miembro de acero hasta llevarlo a la zona de endurecimiento por deformacin. Al llegar al punto A, descargamos el miembro completamente hasta llegar al punto B y dejamos pasar un tiempo. Si despus de un tiempo volvemos a cargar el miembro, este se cargar elsticamente siguiendo la recta BA. Si no ha pasado mucho tiempo, a partir de A el material retoma la antigua curva esfuerzo-deformacin, aumentando su esfuerzo de fluencia al punto A debido a endurecimiento por deformacin. Sin embargo, si ha transcurrido suficiente tiempo, en lugar de seguir la antigua curva a partir del punto A, el material seguir aumentando su esfuerzo con la misma pendiente, hasta llegar a un nuevo esfuerzo de fluencia. Este fenmeno se conoce como strain aging y tiene que ver con la reacomodacin de las estructuras cristalinas, despus de pasado un tiempo de haber llevado el material a la zona de endurecimiento por deformacin y descargar.Notar que si bien la resistencia es mayor, la ductilidad tambin se ve reducida con respecto al valor original.*La figura ilustra el efecto de la temperatura sobre el comportamiento tensin-deformacin del acero.La temperatura creciente favorece el movimiento de las dislocaciones. Como resultado de ello se reducen tanto el lmite elstico como la resistencia mxima. En los aceros para estructuras la prdida de resistencia es pequea hasta aproximadamente los 300C. Despus existe una prdida progresiva de resistencia conforme aumenta la temperatura. A 600C se da una reduccin caracterstica de la resistencia del 50% con respecto a la existente a temperatura ambiente.*La figura muestra el efecto de la velocidad de carga en la tensin de fluencia y la ductilidad del material. Podemos ver que a mayor velocidad de carga se observa una mayor tensin de fluencia, acompaada por una reduccin de la deformacin de rotura del material, que es proporcional a la ductilidad.*Los aceros pueden ser clasificados de acuerdo a la cantidad de aleacin que contengan.Los ejemplos de acero presentados corresponden a aceros de acuerdo con la denominacin ASTM, que son de uso comn en varios pases.*Perfiles ngulo, te, canal y W, placas y barras redondas y rectangulares son secciones laminadas producidas comercialmente.*Tubos circulares y rectangulares son producidos a partir de placas por procesos de plegado y soldadura.Adicionalmente al laminado en caliente, tambin existen perfiles de pared delgada formados al plegar una plancha de acero. Muy verstiles, son especialmente utilizados en construcciones livianas.*Debido a sus caractersticas, el acero es utilizado en mltiples estructuras como edificios, puentes y estructuras industriales.*Su bajo peso y alta resistencia lo hacen ideal para estructuras de cscara y membrana.*El acero es el material ms eficiente en traccin, por lo que es el elegido normalmente para estructuras suspendidas.