CARACTERIZACIÓN QUÍMICA Y MICROESTRUCTURAL DE UNA BARRA DE ACERO CORRUGADO
EDGAR STIVEN DURAN URIBE
UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE D E SANTANDER FACULTAD DE INGENIERÍAS FÍSICO-QUÍMICAS ESCUELA DE INGENIERIA METALÚRGICA Y CIENCIA DE LOS MATERIALES BUCARAMANGA 2017 1
CONTENIDO Pá R!"#$!% & '()(*+(" ,)(!" ................ / 1 O*!34" ....................... 5 O*!34 !%!+() O*!34 !"'!,363,4 2 M(+,4 !+3,4..................... 8 B(++(" ,4++#(9(" A,!+4 '(+( *(++(" ,4++#(9(" / D!"(++4))4 E:'!+3$!%()................ 7 A%á)3"3" $!()4+á63,4 P+!'(+(,3% '(+( (%á)3"3" ;#<$3,4 E%"(&4 9! 9#+!=( >R4,?@!)) 5 R!"#)(94" & 93",#"3%................. 11 A%á)3"3" 9! 3%,)#"34%!" %4 $!á)3,(" D!!+$3%(,3% 9! ($(4 9! +(%4 R!"#)(94" (%á)3"3" ;#<$3,4 A%á)3"3" 9! )( $3,+4!"+#,#+( E%"(&4 9! D#+!=( R4,?@!)) 8 C4%,)#"34%!"..................... 1 B3*)34+(6<(...................... 20
RESUMEN Los aceros son un material clave en el desarrollo de la humanidad, gracias a ellos se han podido hacer herramientas más fuertes, partes de objetos mecánicos y edificaciones más resistentes, en este último campo cabe destacar la aparición de las barras de acero corrugado las cuales se usan para hacer las obras civiles más resistentes a los eventos sísmicos. En esta práctica de laboratorio se realizó el 2
análisis uímico, microestructural y mecánico a un acero proveniente de una barra corrugada, todo bajo la normatividad !"#$ recomendada y de esos análisis se comprobó ue el cumplía con la normatividad de su fabricación %&#' (()*+.
PALABRAS CLAVE A#"!%3( "olución solida intersticial de ' en e %''+. F!++3( "olución solida intersticial de ' en e %-''+. F!++3( ()34+4$+63,( errita ue tiende a nuclear y crecer en los límites de grano de la austenita P!+)3( roducto de la reacción eutectoide, cuando la austenita alcanza un porcentaje de /,)0 de carbono.
1 OBETIVOS 11OBETIVO GENERAL 1eterminar el tipo de acero del ue está fabricada una varilla corrugada
para
refuerzo
de
concreto,
mediante
t2cnicas
normalizadas de concentración uímica, microestructural y de dureza. 12OBETIVOS ESPECÍFICOS 3
1eterminar mediante ensayos normalizados la composición uímica de la barra corrugada y verificar si se encuentra dentro de los rangos establecidas por la norma &#' para las barras corrugadas para
refuerzo de concreto. 3elacionar las características microestructurales del acero de la barra con la composición uímica y con las propiedades mecánicas ue pudiera tener.
2 MARCO TEÓRICO 21BARRAS CORRUGADAS 211 D!",+3',3% !%!+() "on barras ue se usan en la industria de la construcción para reforzar las estructuras contra las vibraciones haci2ndolas más seguras. Estas barras tienen una corrugas en su superficie para obtener una buena adherencia al concreto.
212 N4+$( 9! F(*+3,(,3% La fabricación de estas barras de acero se encuentran normalizadas en 'olombia bajo la norma &#' (()* la cual es euivalente a la norma !"#$ !45 %barras corrugadas y lisas de acero de baja aleación, para refuerzo de concreto+.
4
21/ P+4,!"4 9! 6(*+3,(,3% En la figura 6 se puede observar el diagrama de flujo para la producción de barras de acero corrugado.
F3#+( 1 roducción de barras de acero corrugado, -asada en el manual del acero 8erdau 1iaco para construcciones sismo resistentes. Mineral de hierro, chatarra, carbón coque y caliza
Procesos sider!rico s
Palanquilla
$olada con&n!a
Arrabio
$olada homo%ne a de acero
Procesos "usión
Procesos de a#no Elementos aleantes
22 ACERO PARA BARRAS CORRUGADAS En"riamiento 'ren de necesitan de un de Las barras corrugadas tipo de acero con Barra propiedades mecánicas
laminación (En caliente) especiales para
y corte
cumplir su función específica,
acero corruada la producción
de este acero se encuentra regido bajo la ya mencionada norma &#' (()*. 221 C4$'4"3,3% ;#<$3,( !)!$!%() >'+49#,4 "egún la norma &#' (()* el producto no puede e7ceder los valores ilustrados en la tabla 6.
T(*)( 1 orcentajes de los elementos aleantes ue deben estar presentes en un acero para barra corrugadas.
F#!%! &orma &#' (()*
5
222 P+4'3!9(9!" $!,á%3,(" En la tabla 9 se pueden observar la resistencia a la tracción, porcentaje de elongación entre otras propiedades a la tracción del material.
T(*)( 2. 3euisitos de tracción de un acero para barras corrugadas.
F#!%! &orma &#' (()* / DESARROLLO EPERIMENTAL /1ANALISIS METALOGRHFICO En la figura ( se$ortar pude observar el desarrollo e7perimental para el una muestra de la sección
tras+ersal y un de la lonitudinal análisis metalográfico ue se le aplico a la barra de acero corrugado, el cual fue realizado bajo la normatividad correspondiente.
Montar las muestra en una F3#+( 2. $etodología e7perimental -robetaanálisis metalográfico.
.esbastar y -ulir la muestra
/bser+ar las inclusiones -resentes en la muestra
Atacar la muestra qu0micamente *
/bser+ar microestructura
P("4" 9!())(94" 9!) '+4,!"4 1 "egún la norma !"#$ E 4 : /6 realizar el corte de las muestras representativas del material a caracterizar, usando una segueta. 2 "egún la norma !"#$ E 4 : /6 realizar el montaje en bauelita de las muestras seleccionadas. / "egún la norma !"#$ E 4 : /6 desbastar con papel de desde la lija de granulometría (9/ hasta la ;//. 5 "egún la norma !"#$ E 4 : /6 ulir la muestra con abrasivo, primero con el pa /5 !tacar uímicamente %con nital al = 0 de ácido nítrico+ la muestra para revelar su microestructura. "egún la norma !"#$ E 66(> *; !nalizar el tamaconstituyentes presentes en el acero usando microscopio metalúrgico. 10 !nalizar resultados.
/2 PREPARCIÓN MUESTRA PARA ANHLISIS QUÍMICO En la figura 4 se puede observar la metodología bajo la cual se preparó la muestra enviada para su análisis uímico.
F3#+( / $etodología preparación de la muestra para el análisis uímico.
$ortar una muestra -ara realizar el ensayo
.esbastar la muestra
Em-acar y en+iar la muestra -ara el laboratorio
asos detallados del proceso?
1 'ortar una muestra con un espesor mayor a ; mm y caras paralelas y planas usando disco. 2 1esbastar la muestra hasta ue las dos superficies de la muestras est2n planas. / Empacar y enviar la muestra para la realización del ensayo en el laboratorio correspondiente.
// ENSAYO DE DUREZA >R4,?@!)) En la figura 9 se puede observar la metodología usada para determinar la dureza de la aleación, el cual se hizo bajo la norma !"#$ E6)
F3#+( 5 $etodología ensayo dureza 3oc@Aell.
Montar la muestra en el durómetro
ealizar el ensayo
asos del ensayo de dureza? 6. "eleccionar la escala adecuada para el material %3oc@Aell !+. (. repara el durómetro para el ensayo, colocando la carga %;/ @g+ y el 4. 9. =. ;. 5.
/btención de la en su sitio. penetrador %cono con puntadel de +alor diamante+ dureza del acero 'olocar la probeta en su sitio. !plicar la precarga sobre la probeta. !plicar la descarga. 1escargar y medir dureza. 3epetir el ensayo por lo menos 4 veces.
5 RESULTADOS Y DISCUSIÓN 51 ANALISIS DE INCLUSIONES NO METHLICAS En la micrografía a 6//7 en la figura = se pueden observar 4 tipos de inclusiones no metálicas entre las cuales se aprecian los sulfuros, silicatos, alúminas y ó7idos globulares.
F3#+( 8 $icrografías sin ataue de un acero de barra corrugada. a+ $icrografía a 6//7, b+ $icrografía a (//7, c+ micrografía a =//7.
a
ilicato
Al!mina
78ido ul"uro
b
c
ilicato
Arranque
Al!mina
"egún la norma !"#$ E9= se puede observar en la micrografía las siguientes inclusiones? #ipo !? serie fina , severidad ( #ipo -? serie gruesa, severidad 6B #ipo '? serie fina, severidad 6B #ipo 1? serie fina, severidad (
52 DETERMINACIÓN DEL TAMAJO DE GRANO La determinación de tama
16
de la muestra a 6//7 %figura ;+ y usando una rejilla con plantillasC se determinó ue el tama sección transversal.
5/RESULTADOS ANHLISIS QUÍMICO En la tabla 4 se puede observar el resultado del análisis uímico de un ensayo de emisión con chispa. En estos se pude observar ue los elementos aleantes no se e7ceden los valores má7imos ue permite la norma &#' (()* en un acero para barra corrugada.
T(*)( / 3esultados de análisis uímico elemental efectuado con chispa.
11
55 ANHLISIS DE LA MICROESTRUCTURA 'omo se puede observar en la tabla 4 el acero tiene de manera apro7imada un /,4 0 de carbono, ubicando esta composición en el diagrama de hierro carbono %figura 5+, se puede esperar ue el acero tenga presencia de ferrita y perlita %producto de la reacción eutectoide+. Dsando la regla de la palanca en el diagrama hierro : carbono a la composición del acero se puede determinar ue el porcentaje de las fases es la siguiente? ? 0 erlita % perlita =
0,3− 0,008 0,8− 0,008
100=36,86
∗
0 errita %α =
0,8−0,3 0,8−0,008
100=63,14
∗
F3#+( 7 1iagrama hierro : carbono.
12
6,3 9 de $
! continuación se puede observar la microestructura obtenida en el acero debido a su proceso de fabricación.
F3#+( $icrografías acero de barra corrugada. a+ micrografía a 6//7, b+ micrografía a (//7, c+ micrografía a =//7, d+ micrografía a 6///7, e+ micrografía a 6=//7
Perlita
Ferrita
a 13
Perlita
Ferrita
Perlita
Ferrita
c
b
Ferrita Ferrita
Perlita
Perlita
d
e
"e puede observar en la figura ) %en todas las micrografías+ ue la ferrita se encuentra de forma aliotromórfica, debido al proceso de fabricación de la barra, la cual se enfría al aire despu2s de un proceso de laminado en caliente. La velocidad de enfriamiento no permite la difusión de la ferrita y por eso ueda con esa morfología. #ambi2n en figura )d y figura )e se puede ver la estructura laminar del eutectoide. "egún el diagrama hierro carbono el proceso de solidificación para un acero de /,4 0 ' es el siguiente? i.
ii.
!l estar la aleación en fase totalmente liuida y luego bajar la temperatura a su punto de fusión %6=4/ ' apro7imadamente+ se empiezan a crear núcleos de ferrita F, dando origen a una región bifásica de líuido más delta. !l disminuir la temperatura a 6=//' se da la reacción perit2ctica, dando origen a una zona monofásica de austenita 14
iii. iv. v.
!l seguir disminuyendo la temperatura la aleación alcanza un temperatura critica de )=/ ' apro7imadamente y empieza a nuclear la ferrita y la ausentita a ganar carbono. 'uando la temperatura llega a 5(4' la austenita tiene una composición de /.) de carbono y se da la reacción eutectoide ue da origen a la perlita. !l finalizar la reacción uedan los microconstutiyentes ue se puente observar en la figura ).
En la figura * se pueden observar las micrografías de la sección longitudinal despu2s del ataue, en la cual se observa, además de perlita y ferrita, una te7tura típica de un proceso de deformación plástica %Laminado en caliente+ ue puede ser el indicador de ue el material esta endurecido en cierto grado a pesar de haberse trabajado en caliente.
F3#+( $icrografías sección longitudinal despu2s del ataue. a+ micrografía a 6//7, b+ micrografía a (//7, c+ micrografía a =//7, d+ micrografía a 6//7, e+ micrografía de 6=//7.
15
a
b
c
d
e
58ENSAYO DE DUREZA >ROCKELL El ensayo de dureza se realizó bajo la norma !"#$ E6), y se tomaron 4 valores los cuales se promediaron.
El valor de la dureza del acero es =( HR el cual es euivalente a 6;( G-C dado ue la ferrita tiene una dureza de */ G- y la perlita una de (// G- apro7imadamente, debido a la microestructura presentada en la figura ), y a los porcentajes de las fases espera ue el acero tenga una A
1*
dureza intermedia entre los dos. #ambi2n se puede suponer ue hubo cierto endurecimiento del material en su proceso de fabricación porue la dureza es alta considerando los porcentajes de ferrita y perlita ue este tiene.
8 CONCLUSIONES
'omparando los resultados del análisis uímico con los valores má7imos de elementos aleantes en el acero %#abla 6+, el acero analizado cumple con los estándares de la composición uímica establecidos en la &orma t2cnica colombiana (()*. La dureza del acero concuerda con su microestructura. La te7tura observada en la sección longitudinal se debe al proceso de fabricación del material el cual es sometido a laminado en caliente %ver figura 6 y *+. "egún su porcentaje de carbono y sus procesos de fabricación, el acero cumple con la microestructura esperada %perlita y ferrita aliotromórfica+. El acero es un !H"H>"!E 6/4/C aunue según su función y por norma es !"#$ !;6= 8>;/
1
BIBLIOGRAFÍA I-arras corrugadas y lisas de acero de baja aleación, para refuerzo de concretoJ, Hnstituto colombiano de normas t2cnicas y certificación? H&'K&#E', (/6=. %&#' (()*+. G!3KL1 !L-E3#K $DKM $. I$anual del acero 8eraud 1iaco para construcciones sismo resistentesJ. 1isponible en la Aeb? https?NNAAA.gerdau.com.coNortalsN/N$anual0(/"ismoresistencia 0(/(/6(.pdf
1
