SEMANA XII:EL ACERO

                                           EL ACERO:


1. CARACTERÍSTICAS MECÁNICAS.

•Ductilidad, es la elongación que sufre la barra cuando se carga sin llegar a la rotura. Las especificaciones estipulan que el estiramiento total hasta la falla, no sea menor que cierto porcentaje mínimo (tabla 5.3) que varía con el tamaño y grado de la propia barra (apartado
5.7.1).
•Dureza se define como la propiedad del acero a oponerse a la penetración de otro material
(apartado 5.7.2).

•Resistencia a la tensión, Es la máxima fuerza de tracción que soporta la barra, cuando se inicia la rotura, dividida por el área de sección inicial de la barra. Se denomina también, más
precisamente, carga unitaria máxima a tracción.
 
Limite  de  fluencia,  fy.-  Es  la  tensión  a  partir  de  la  cual  el  material  pasa  a  sufrir deformaciones          permanentes, es decir, hasta este valor de tensión, si interrumpimos el traccionamiento de la muestra,     ella  volverá a su tamaño inicial, sin presentar ningún tipo de deformación permanente, esta se llama deformación elastica. El ingeniero utiliza el limite de fluencia de la barra para calcular la dimensión de la estructura, pues la barra soporta cargas y sobrecargas hasta este punto y vuelve a su condición inicial sin deformación. Pasado este punto, la estructura esta fragilizada y comprometida.

En general, en el caso de los aceros de dureza natural, el límite de fluencia coincide con el valor aparente de la tensión correspondiente al escalón de cedencia. En los casos en que no aparece este escalón o aparece poco definido, como suele ocurrir con los aceros estirados en frío, es necesario recurrir al valor convencional establecido en las prescripciones, como se explica mas abajo, para aceros de resistencia mayor a 4200Kg/cm2

Las barras con resistencias hasta 2800 Kg/cm2 presentan una curva elasto-plástica, como se ve en la figura 5.10 a), entonces fy se identifica con claridad.
Para aceros de resistencias mayores, hasta 4200 Kg/cm2, la curva esfuerzo-deformación unitaria puede ser elasto-plastica o no, dependiendo de las propiedades del acero y del procesos de fabricación.

Para aceros de resistencias mayores a 4200 Kg/cm2, donde el grado de fluencia no esta definido, el código ACI especifica que el esfuerzo de fluencia, fy, debe determinarse como el esfuerzo que corresponde a una deformación de 0.0035 cm/cm, tal como se muestra en la
Probablemente, la resistencia en el punto de fluencia, es decir, el esfuerzo elástico máximo que puede soportar la barra, es la propiedad mecánica más importante para el diseñador.

La resistencia a la tensión se controla por un limite sobre la resistencia en el punto de fluencia y esta no puede ser menor que 1.25 veces la resistencia real en el punto de fluencia.

Si bien la tendencia actual, en la construcción con hormigón reforzado, es hacia el uso de barras de refuerzo con grado de resistencia más elevado, dado que el  uso de estas conduce a una reducción significativa del tonelaje de acero y del tamaño de los miembros estructurales de hormigón, lo que da por resultado economía en la mano de obra y en otros materiales, se tiene un limite practico sobre cuan fuerte debe ser el acero de refuerzo utilizado en una construcción estándar de Hormigón armado: Todas las resistencias del acero tienen aproximadamente la misma elongación para el mismo esfuerzo de tensión aplicado  (mismo  modulo  de  elasticidad  Es=2.1*106  Kg/cm2).   Si  un  acero  tiene  una resistencia en el punto de fluencia que es el doble de la de otro, puede aplicarse el doble de 
deformación permanente, esta se llama deformación elastica. El ingeniero utiliza el limite de fluencia de la barra para calcular la dimensión de la estructura, pues la barra soporta cargas y sobrecargas hasta este punto y vuelve a su condición inicial sin deformación. Pasado este punto, la estructura esta fragilizada y comprometida.

En general, en el caso de los aceros de dureza natural, el límite de fluencia coincide con el valor aparente de la tensión correspondiente al escalón de cedencia (figura 5.10 a). En los casos en que no aparece este escalón o aparece poco definido, como suele ocurrir con los aceros estirados en frío, es necesario recurrir al valor convencional establecido en las prescripciones, como se explica mas abajo, para aceros de resistencia mayor a 4200
Kg/cm2.

Las barras con resistencias hasta 2800 Kg/cm2 presentan una curva elasto-plástica, como se ve en la figura 5.10 a), entonces fy se identifica con claridad.
Para aceros de resistencias mayores, hasta 4200 Kg/cm2, la curva esfuerzo-deformación unitaria puede ser elasto-plastica o no, dependiendo de las propiedades del acero y del procesos de fabricación.

Para aceros de resistencias mayores a 4200 Kg/cm2, donde el grado de fluencia no esta definido, el código ACI especifica que el esfuerzo de fluencia, fy, debe determinarse como el esfuerzo que corresponde a una deformación de 0.0035 cm/cm, tal como se muestra en la figura 5.11.

Probablemente, la resistencia en el punto de fluencia, es decir, el esfuerzo elástico máximo que puede soportar la barra, es la propiedad mecánica más importante para el diseñador.

La resistencia a la tensión se controla por un limite sobre la resistencia en el punto de fluencia y esta no puede ser menor que 1.25 veces la resistencia real en el punto de fluencia.

Si bien la tendencia actual, en la construcción con hormigón reforzado, es hacia el uso de barras de refuerzo con grado de resistencia más elevado, dado que el  uso de estas conduce a una reducción significativa del tonelaje de acero y del tamaño de los miembros estructurales de hormigón, lo que da por resultado economía en la mano de obra y en otros materiales, se tiene un limite practico sobre cuan fuerte debe ser el acero de refuerzo utilizado en una construcción estándar de Hormigón armado: Todas las resistencias del acero tienen aproximadamente la misma elongación para el mismo esfuerzo de tensión aplicado  (mismo  modulo  de  elasticidad  Es=2.1*106  Kg/cm2).  Si  un  acero  tiene  una resistencia en el punto de fluencia que es el doble de la de otro, puede aplicarse el doble de esfuerzo, pero se obtendrá el doble de elongación. Con cargas moderadas, el refuerzo de acero se estirará casi lo mismo que lo que puede estirarse el hormigón que lo rodea sin agrietarse severamente; si se aplica más carga, el acero puede soportar la carga con seguridad, pero el hormigón que lo cubre se agrietará. Esto no sólo da mal aspecto sino
que, en general, permitirá la corrosión del refuerzo.

FIGURA 5.10    a) Diagrama Esfuerzo Deformación para Aceros de Dureza Natural Laminados en
Caliente; b) curvas típicas esfuerzo-deformación unitarias para barras de refuerzo
Nota: Las curvas están indicadas según su límite de fluencia

FIGURA 5.11    Diagrama  Esfuerzo  Deformación  para  Aceros  de  resistencia mayor a 4200 kg/cm2

En general, no se puede usar la mayor resistencia de los aceros con resistencias en el punto de fluencia de 4200   Kg/cm2, como refuerzo estándar a la tracción, sin causar el agrietamiento del hormigón, a menos que se tomen disposiciones especiales en el diseño del miembro. 

•Maleabilidad,  es  la  capacidad  que  presenta  el  acero  de  soportar  la  deformación,  sin romperse, al ser sometido a un esfuerzo de compresión.

•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.

•Fatiga, cuando un elemento estructural se somete a cargas cíclicas, este puede fallar debido a  las grietas que se forman y propagan, en especial cuando se presentan inversiones de
esfuerzos, esto es conocido como falla por fatiga, que puede ocurrir con esfuerzos menores a la carga de deformación remanente.

     Limite de fatiga. Se evalúa en un diagrama Esfuerzo máximo (resistencia ala fatiga) vs. el número de ciclos hasta la falla, estos diagramas indican que la resistencia a la fatiga, de un acero estructural, decrece con un aumento de número de ciclos, hasta que  se  alcanza  un  valor  mínimo  que  es  el  Limite  de  Fatiga.  Con  la  tracción considerada como positiva y la compresión negativa, las pruebas también demuestran que a medida que disminuye la relación entre el esfuerzo máximo y el mínimo, se reduce de modo considerable la resistencia al a fatiga. Las pruebas indican además que los aceros con resistencia a la tracción semejante tienen casi la misma resistencia a la fatiga.

Estas propiedades se determinan mediante la realización de diferentes pruebas o ensayos, para determinar qué material es el que emplearemos para el fin que le queramos dar. En la tabla 5.3 se dan algunas características mecánicas para diferentes grados y clases de aceros.

(1).                                                       AH = Acero para Hormigón (DN = Dureza Natural; EF = Estirado enFrío)

(2).                                                                                      Para el calculo de valores unitario se utilizará la sección nominal.

(3).               Relación mínima admisible entre los valores de la carga unitaria de rotura y del limite elástico, obtenidos en cada ensayo

ENSAYOS: 

Cuando un técnico proyecta una estructura metálica, diseña una herramienta o una máquina, define las calidades y prestaciones que tienen que tener los materiales constituyentes. Como hay muchos tipos de aceros diferentes y, además, se pueden variar sus prestaciones con tratamientos térmicos, se establecen una serie de ensayos mecánicos para verificar principalmente la dureza superficial, la resistencia a los diferentes esfuerzos que pueda estar sometido, el grado de acabado del mecanizado o la presencia de grietas internas en el material , lo cual afecta directamente al material pues se pueden producir fracturas o hasta roturas...
Hay dos tipos de ensayos, unos que pueden ser destructivos y otros no destructivos.
Ensayos no destructivosLos ensayos no destructivos son los siguientes:
Ensayo microscópico y rugosidad superficial. Microscopios y rugosímetros.
Ensayos por ultrasonidos.
Ensayos por líquidos penetrantes.
Ensayos por partículas magnéticas.
Ensayos destructivos
Los ensayos destructivos son los siguientes:
Ensayo de tracción con probeta normalizada.
Ensayo de resiliencia.
Ensayo de compresión con probeta normalizada.
Ensayo de cizallamiento.
Ensayo de flexión.
Ensayo de torsión.
Ensayo de plegado.
Ensayo de fatiga.
Ensayo de dureza (Brinell, Rockwell, Vickers). Mediante durómetros. Todos los aceros tienen estandarizados los valores de referencia de cada tipo de ensayo al que se le somete

Tratamientos superficialesDebido 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 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, etc.

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:

-Temple
-Revenido
-Recocido
-Normalizado
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. Estos tratamientos requieren el uso de calentamiento y enfriamiento controlados en atmósferas especiales. 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 ºC, dentro de una corriente de gas amoniaco, 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 ºC.
Carbonitruración (C+N): al igual que la cianuración, introduce carbono y nitrógeno en una capa superficial, pero con hidrocarburos como metano, etano o propano; amoniaco (NH3) y monóxido de carbono (CO). En el proceso se requieren temperaturas de 650 a 850 ºC 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 ºC) en un baño de sales.
Entre los factores que afectan a los procesos de tratamiento térmico del acero se encuentran la temperatura y el tiempo durante el que se expone a dichas condiciones al material. Otro factor determinante es la forma en la que el acero vuelve a la temperatura ambiente. 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: oil quenched), y "A" es la inicial de aire; el prefijo "S" es indicativo que el acero ha sido tratado y considerado resistente al golpeo (Shock resistant).

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.

Aceros de alta resistencia

Consiste en procedimientos destinados a la elevación del límite elástico.

a)  Aceros de dureza natural

En este tipo de acero se observa aún cierta distorsión de la gráfica en la etapa última del período lineal con la aparición del escalón de plasticidad en el cual se ubica el límite elástico aparente (fy). La tensión de rotura (fs) se produce con una menor deformación que la exhibida en los aceros ordinarios como también sucede en la rotura física del material ( tensión última). 

 

b) Aceros endurecidos en frío

En este ensayo también se observa la disminución de las propiedades de alargamiento como asimismo la pérdida del escalón de plasticidad, lo cual lleva al diagrama a presentar un recorrido curvilíneo. El límite elástico aparente en este caso pasa a ser un límite elástico convencional (fy) obtenido a partir del punto de deformación remanente propio del proceso de producción.

2. Ensayo de dureza (estatico):

Este ensayo mide la capacidad del material de resistir la penetración.

DUREZA BRINELL

Consiste en la huella (d) que produce sobre la probeta de ensayo una esfera de acero templado de diámetro normalizado (D) accionada por prensa hidráulica.

El número de dureza (N) está dado por la relación entre la huella producida y el diámetro original de la esfera.    N = d / D

DUREZA ROCKWELL

Consiste en la penetración de una esfera (material blando) o cono de diamante (material duro) a través de una carga en dos etapas sucesivas.

P = carga preliminar                    P1 = carga fundamental

El número de dureza corresponde a la diferencia entre la profundidad de penetración de ambas.      N =  P1 - P

DUREZA VICKERS

Se usa para medir profundidad de recubrimientos de capas exteriores o piezas de sección pequeña. Los valores son de lectura microscópica, no  siendo aplicables en materiales de construcción.

3. Ensayo de resiliencia (dinamico)

Péndulo de Charpy.

1. Bancada
2. Probeta
3. Péndulo
4. Escala

Permite conocer la resistencia del material a la rotura por impacto. Se realiza a través del Péndulo de Charpy, que mide la energía gastada en el ensayo. La masa Q cae desde la altura H, rompiendo la probeta en su entalladura (F) y siguiendo su ascenso hasta una altura (h).

El valor de la energía gastada              A = Q.H - Q.h     -----    A = Q. (H - h)

La risilencia Rk = Q. ( H - h ) / F = kgm / cm2              -----   Rk = A / f

En materiales frágiles el valor Rk es pequeño.

En materiales deformables el valor Rk es alto.

4. Ensayo de fatiga (periodico):

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).

5. 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.