INFORME ACERO

TECNOLOGÍA DE MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN

METALES

INDICE Pag. INTRODUCCIÓN

02

LOS METALES 1. DEFINIC INICIÓ IÓN N: 2. NO METALE ALES: 3. COMPARA COMPARACIÓN CIÓN DE LOS METALES METALES Y NO METALES METALES:: 4. PROPIEDAD PROPI EDADES ES DE LOS METALES:

4.1.

PROPIEDADES FÍ FÍSICAS:

4.2.

PROPIEDADES MECÁNICAS:

4.3.

PROPIEDADES TECNOLÓGICAS:

5. META METALU LURG RGIA IA:

5.1.

HIERRO:

5.2.

COBRE:

5.3.

ZINC:

5.4.

PLOMO:

5.5.

ALUMINIO:

5.6.

ESTAÑO

6. EL ACER AC ERO: O:

6.1.

6.2. 6. 2.

REFUERZO DEL CONCRETO 6.1 .1.1 .1..

VARIL ARILLA LAS S CO CORRUGA UGADAS DAS Y ALAMB LAMBR RES: ES:

6.1.2.

MALLAS ELECTROSOLDADAS.

TIPOS IPOS ESPE ESPECI CIAL ALES ES DE ACER ACERO O DE REFU REFUER ERZO ZO::

7. PROPI PROPIED EDADE ADES S MECÁN MECÁNICA ICAS S DEL ACERO ACERO:: 7.1 7. 1.

RELA RELACI CIÓN ÓN ESFU ESFUER ERZ ZO – DEF DEFOR ORMA MACI CIÓN ÓN DEL DEL ACE ACERO RO::

7.2 .2..

COE COEFICIE ICIEN NTE DE DE DIL DILA ATACIÓ ACIÓN N TÉ TÉRMICA ICA:

7.3.

MALEABILIDAD: 1


METALES

7.4.

OXIDACIÓN DEL ACERO:

7.5.

FATIGA DEL ACERO:

7.6.

SOLDADURA DEL ACERO:

8. CLASIF CLASIFICA ICACIO CION N DEL DEL ACERO ACERO 8.1. 8.1. CLASIF CLASIFICAC ICACIÓN IÓN DE ACERO ACERO POR POR SU COMPOS COMPOSICIÓ ICIÓN N QUÍMICA QUÍMICA 8.2. 8.2. CLASIF CLASIFICAC ICACIÓN IÓN DEL DEL ACERO ACERO POR SUS SUS PROPI PROPIEDA EDADES DES 8.3. 8.3. CLASIF CLASIFICAC ICACIÓN IÓN DEL DEL ACERO ACERO EN EN FUNCIÓN FUNCIÓN DE DE SU USO USO

9. TIPOS IPOS DE ACER ACERO O 9.1.

ACERO CORRUGADO

9.2.

ACERO ESTRUCTURAL:

9.2.1.

PRO PROPIE PIEDADE DADES S

Y

CUALI UALIDA DADE DES S

DEL

ACE ACERO

ESTRUCTURAL: 9.2.2.

CLASIFICA ICACIÓ IÓN N DEL ACERO ESTRUCTURAL O

DE REFUERZO: 9.2.3.

ACEROS

PARA

HORMIGÓN

–

ACERO

DE

REFUERZO PARA ARMADURAS 9.2.4.

IMPUREZAS DEL ACERO:

9.2.5.

LÍMITE DE FLUENCIA O ELÁSTICO

10. CORROSION DEL ACERO Y SUS EFECTOS

10.1.

TIPO IPOS DE COR CORROSIÓ IÓN N

11.VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL ACERO COMO MATERIAL DE CONSTRUCCIÓN: 11.1.

VENTAJAS

DEL

ACERO

COMO

MATERIAL

ESTRUCTURAL: 11.2.

DESVENTAJAS

DEL

ACERO

COMO

ESTRUCTURAL: CONCLUSIONES RECOMENDACIONES BIBLIOGRAFIA 38 2

MATERIAL


METALES

7.4.

OXIDACIÓN DEL ACERO:

7.5.

FATIGA DEL ACERO:

7.6.

SOLDADURA DEL ACERO:

8. CLASIF CLASIFICA ICACIO CION N DEL DEL ACERO ACERO 8.1. 8.1. CLASIF CLASIFICAC ICACIÓN IÓN DE ACERO ACERO POR POR SU COMPOS COMPOSICIÓ ICIÓN N QUÍMICA QUÍMICA 8.2. 8.2. CLASIF CLASIFICAC ICACIÓN IÓN DEL DEL ACERO ACERO POR SUS SUS PROPI PROPIEDA EDADES DES 8.3. 8.3. CLASIF CLASIFICAC ICACIÓN IÓN DEL DEL ACERO ACERO EN EN FUNCIÓN FUNCIÓN DE DE SU USO USO

9. TIPOS IPOS DE ACER ACERO O 9.1.

ACERO CORRUGADO

9.2.

ACERO ESTRUCTURAL:

9.2.1.

PRO PROPIE PIEDADE DADES S

Y

CUALI UALIDA DADE DES S

DEL

ACE ACERO

ESTRUCTURAL: 9.2.2.

CLASIFICA ICACIÓ IÓN N DEL ACERO ESTRUCTURAL O

DE REFUERZO: 9.2.3.

ACEROS

PARA

HORMIGÓN

–

ACERO

DE

REFUERZO PARA ARMADURAS 9.2.4.


9.2.5.



10.1.

TIPO IPOS DE COR CORROSIÓ IÓN N

11.VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL ACERO COMO MATERIAL DE CONSTRUCCIÓN: 11.1.

VENTAJAS

DEL

ACERO

COMO

MATERIAL

ESTRUCTURAL: 11.2.

DESVENTAJAS

DEL

ACERO

COMO

ESTRUCTURAL: CONCLUSIONES RECOMENDACIONES BIBLIOGRAFIA 38 2

MATERIAL


METALES

3


METALES

INTRODUCCIÓN En la Ingeniería Civil, y a propósito de los materiales de construcción, se ha dado a lo largo de las últimas décadas un importante desarrollo de la tecnología del concreto, toda vez que éste ha sido un material que ha permitido un invaluable avance de las técnicas constructivas grac gracia iass a los los nive nivele less de resi resist sten enci cias as alca alcanz nzad ados os,, y a que que dich dicho o material ha mostrado que siendo trabajado bajo condiciones técnicas adecuadamente controladas, es un material de gran durabilidad. En la naturaleza existe una considerable cantidad de metales que se pueden obtener, pero para la realización de este trabajo solo se usara lo mas usado en la construcción. Poco Po coss de esto estoss me meta tale less se encu encuen entr tran an en form forma a ma masi siva va en la natura naturalez leza; a; estos estos pueden pueden encont encontrar rarse se químic químicame amente nte combin combinado adoss form forman ando do dive divers rsos os co comp mpue uest stos os mine minera rale les, s, tale taless co como mo óxid óxidos os,, carbonatos, sulfuros, etc. Estos compuestos se hallan en los yacimientos formando la mena, que es toda materia de origen natural de la cual se puede extraer uno o más metales. Las menas, generalmente contienen cantidades variables de materias extrañas, piedras o tier errras, que se denominan gangas. La combinación de la mena y la ganga es lo que constituye el mineral, se considera que el hierro fue el primer material utilizado por el hombre

LOS ALUMNOS

4


METALES

LOS METALES 1. DEFINIC INICIÓ IÓN N: La ma mayo yorr part parte e de los los ele eleme ment ntos os me metá táli lico coss exhi exhibe be el lust lustre re brillante que asociamos a los metales. Los metales conducen el calor y la electricidad, son maleables (se pueden golpear para form formar ar lámi lámina nass delg delgad adas as)) y dúct dúctil iles es (se (se pued pueden en esti estira rarr para para formar alambres). Todos son sólidos a temperatura ambiente con excepción del mercurio (punto de fusión =-39 ºC), que es un líquido. Dos metale ales se funden ligeramente arriba de la temperatura ambiente: el cesio a 28.4 ºC y el galio a 29.8 ºC. En el otro extremo, muchos metales se funden a temperaturas muy altas. Por ejemplo, el cromo se funde a 1900 ºC. Los metales tienden a tener energías de ionización bajas y por tanto tanto se oxidan oxidan (pierd (pierden en ele electr ctrone ones) s) cuando cuando sufre sufren n rea reacci ccione oness químicas. Los metales comunes tienen una relativa facilidad de oxidac oxidación ión.. Mucho Muchoss metale metaless se oxidan oxidan con divers diversas as sustan sustancia ciass comunes, incluidos 02 Y los ácidos. Se utiliz utilizan an con fines fines estru estructu ctural rales, es, fabric fabricaci ación ón de recipi recipient entes, es, cond co nduc ucci ción ón del del ca calo lorr y la elec electr tric icid idad ad.. Much Muchos os de los los ione ioness metá me táli lico coss cump cumplen len func funcio ione ness biol biológ ógic icas as impo import rtan ante tes: s: hier hierro ro,, calcio, magnesio, sodio, potasio, cobre, manganeso, cinc, cobalto, molibdeno, cromo, estaño, vanadio, níquel,.... 2. NO METALES:

Los no metales varían mucho en su apariencia apariencia no son lustrosos lustrosos y por lo general son malos conductores del calor y la electricidad. Sus Sus punt puntos os de fusi fusión ón son son má máss bajo bajoss que que los los de los los me meta tale less (aunque el diamante, una forma de carbono, se funde a 3570 ºC). Vario arioss no me meta tale less exis existe ten n en co cond ndic icio ione ness ordi ordina nari rias as co como mo 5


METALES

moléculas diatómicas. En esta lista están incluidos cinco gases (H2, N2, 02, F2 y C12), un líquido (Br2) y un sólido volátil (I2). El resto de los no metales son sólidos que pueden ser duros como el diamante o blandos como el azufre. Al contrario de los metales, son muy frágiles y no pueden estirarse en hilos ni en láminas. Se encuentran en los tres estados de la materia a temperatura ambiente: son gases (como el oxígeno), líquidos (bromo) y sólidos (como el carbono). No tienen brillo metálico y no reflejan la luz. Muchos no metales se encuentran en todos los seres vivos: carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, fósforo y azufre en cantidades importantes. Otros son oligoelementos: flúor, silicio, arsénico, yodo, cloro. 3. COMPARACIÓN DE LOS METALES Y NO METALES:

Metales no metales Tienen un lustre brillante; diversos No tienen lustre; diversos colores. colores,

pero

casi

todos

son Los sólidos suelen ser quebradizos;

plateados.

algunos duros y otros blandos.

Los sólidos son maleables y dúctiles

Malos conductores del calor y la

Buenos conductores del calor y la electricidad electricidad

La mayor parte de los óxidos no

Casi todos los óxidos metálicos son metálicos son sustancias moleculares sólidos iónicos básicos.

que forman soluciones ácidas

Tienden a formar cationes en solución Tienden acuosa.

a

formar

aniones

u

oxianiones en solución acuosa.

Las capas externas contienen poco Las capas externas contienen cuatro electrones

habitualmente

trss

o o más electrones*.

menos. * Excepto hidrógeno y helio

6


METALES

4. PROPIEDADES DE LOS METALES:

Las propiedades de los metales se clasifican en físicas, mecánicas y

tecnológicas.

a. PROPIEDADES FÍSICAS: Dependen del tipo de aleación y las

más importantes son: - PESO ESPECÍFICO. El peso específico puede ser

absoluto o relativo: el primero es el peso de la unidad de volumen de un cuerpo homogéneo. El peso específico relativo es la relación entre el peso de un cuerpo y el peso de igual volumen de una sustancia tomada como referencia; para los sólidos y líquidos se toma como referencia el agua destilada a 4°C. - CALOR ESPECÍFICO. Es la cantidad de calor necesaria para

elevar en 1°C la temperatura de 1 kg de determinada sustancia. El calor específico varía con la temperatura. En la práctica se considera el calor específico medio en un intervalo de temperaturas. - PUNTO DE FUSIÓN. Es la temperatura a la cual un

material pasa del estado sólido al líquido, transformación que se produce con absorción de calor. El punto de solidificación es la temperatura a la cual un líquido pasa al estado sólido, durante la transformación hay cesión de calor. Casi siempre coinciden los puntos de fusión y de solidificación. - CALOR LATENTE DE FUSIÓN. Es el calor necesario para

vencer

las

fuerzas

moleculares

del

material

(a

la

temperatura de fusión) y transformarlo de sólido en líquido. 7


METALES

- RESISTENCIA A LA CORROSIÓN. La corrosión de los

metales puede originarse por: o

Reacciones químicas con los agentes corrosivos

o

Reacciones electroquímicas producidas por corrientes electrolíticas

generadas

en

elementos

galvánicos

formados en la superficie con distinto potencial. Las corrientes electrolíticas se producen con desplazamiento de iones metálicos. La corrosión electrolítica puede producirse por: o

o

Heterogeneidad de la estructura cristalina Tensiones internas producidas por deformación en frío o tratamientos térmicos mal efectuados.

o

Diferencia en la ventilación externa

La protección de los metales contra la corrosión puede hacerse por: o

Adición de elementos especiales que favorecen la resistencia a la corrosión.

o

Revestimientos metálicos resistentes a la corrosión

o

Revestimientos con láminas de resinas sintéticas o polímeros.

b. PROPIEDADES MECÁNICAS: Son aquellas que expresan el

comportamiento de los metales frente a esfuerzos o cargas que tienden a alterar su forma. - RESISTENCIA: Capacidad de soportar una carga externa si el

metal debe soportarla sin romperse se denomina carga de rotura y puede producirse por tracción, por compresión, por

8


METALES

torsión o por cizallamiento, habrá una resistencia a la rotura (kg/mm²) para cada uno de estos esfuerzos. - DUREZA: Propiedad que expresa el grado de deformación

permanente que sufre un metal bajo la acción directa de una carga determinada. Los ensayos más importantes para designar la dureza de los metales, son los de penetración, en que se aplica un penetrador (de bola, cono o diamante) sobre la superficie del metal, con una presión y un tiempo determinados, a fin de dejar una huella que depende de de la dureza del metal, los métodos más utilizados son los de Brinell, Rockwell y Vickers. - ELASTICIDAD: Capacidad de un material elástico para

recobrar su forma al cesar la carga que lo ha deformado. Se llama límite elástico a la carga máxima que puede soportar un metal sin sufrir una deformación permanente. Su determinación tiene gran importancia en el diseño de toda clase de elementos mecánicos, ya que se debe tener en cuenta que las piezas deben trabajar siempre por debajo del límite elástico, se expresa en Kg/mm². - PLASTICIDAD: Capacidad de deformación permanente de un

metal sin que llegue a romperse. - TENACIDAD: Resistencia a la rotura por esfuerzos de

impacto que deforman el metal. La tenacidad requiere la existencia de resistencia y plasticidad. - FRAGILIDAD: Propiedad que expresa falta de plasticidad, y

por tanto, de tenacidad. Los materiales frágiles se rompen en el

límite

elástico,

es

decir

9

su

rotura

se

produce


METALES

espontáneamente al rebasar la carga correspondiente al límite elástico. - RESILIENCIA: Resistencia de un metal a su rotura por

choque, se determina en el ensayo Charpy. - FLUENCIA: Propiedad de algunos metales de deformarse

lenta y espontáneamente bajo la acción de su propio peso o de cargas muy pequeñas. Esta deformación lenta, se denomina también creep. - FATIGA: Si se somete una pieza a la acción de cargas

periódicas (alternativas o intermitentes), se puede llegar a producir su rotura con cargas menores a las que producirían deformaciones. c. PROPIEDADES TECNOLÓGICAS: Determina la capacidad de

un metal a ser conformado en piezas o partes útiles o aprovechables. Estas son: - DUCTILIDAD: Es la capacidad del metal para dejarse

deformar o trabajar en frío; aumenta con la tenacidad y disminuye al aumentar la dureza. Los metales más dúctiles son el oro, plata, cobre, hierro, plomo y aluminio. - FUSIBILIDAD: Es la propiedad que permite obtener piezas

fundidas o coladas. - COLABILIDAD: Es la capacidad de un metal fundido para

producir piezas fundidas completas y sin defectos. Para que un metal sea colable debe poseer gran fluidez para poder llenar completamente el molde. Los metales más fusibles y colables son la fundición de hierro, de bronce, de latón y de aleaciones ligeras. 10


METALES

- SOLDABILIDAD: Es la aptitud de un metal para soldarse con

otro idéntico bajo presión ejercida sobre ambos en caliente. Poseen esta propiedad los aceros de bajo contenido de carbono. - Endurecimiento por el temple. Es la propiedad del metal

de sufrir transformaciones en su estructura cristalina como resultado del calentamiento y enfriamiento sucesivo y por ende de sus propiedades mecánicas y tecnológicas. Los aceros se templan fácilmente debido a la formación de una estructura cristalina característica denominada martensita. - Facilidad de mecanizado: Es la propiedad de un metal de

dejarse mecanizar con arranque de viruta, mediante una herramienta cortante apropiada. Son muy mecanizables la fundición gris y el bronce, con virutas cortadas en forma de escamas. El acero dulce y las aleaciones ligeras de alta tenacidad, producen virutas largas 5. METALURGIA :

A las operaciones físicas y químicas necesarias para extraer los metales de sus menas y la preparación posterior para su uso, se le llama Metalurgia. Hay que someter a los minerales a una serie de operaciones cuya finalidad es separar la mena de la ganga y después aislar el metal. Las operaciones son las siguientes: •

Tratamiento preliminar, en el cual son removidas las materias extrañas y el mineral es puesto en forma adecuada para el tratamiento inmediato.

11


METALES

•

Reducción, consiste en reducir al componente del metal en metal libre.

•

Refinamiento, el metal es purificado, y en algunos casos se le añade sustancias con el propósito de darle cierta propiedades al producto final.

a. HIERRO: La Siderurgia es la rama de la metalurgia que estudia

todo lo referente a la extracción, transformación y aplicaciones del hierro. El hierro se encuentra en estado natural en Groenlandia, y en estado de combinación es muy abundante en la corteza terrestre, constituyendo un 5% de la misma. Los minerales de hierro más usados como materia prima para la obtención de este metal son: •

Magnetita, cuyo yacimiento más importante se encuentran en Suecia, España y EE.UU. En la Rep. Dom. Existen pequeños yacimientos de este mineral.

•

Siderita, se halla principalmente en Inglaterra.

•

Hematita, existen yacimiento en Estados Unidos, Alemania, Rusia y España.

Hierro Puro. El hierro químicamente puro (Fe) es un elemento de color gris azulado, que funde a 1,259 C. No tiene aplicación en la construcción, por lo que relegamos su estudio a la química. El hierro que se encuentra en el mercado y se utiliza en la industria no es puro, sino una aleación de hierro y carbono.

Obtención del Hierro.

12


METALES

En la industria, el procedimiento más normal de obtención del hierro, partiendo de los minerales, es la reducción de éstos por carbón. El proceso simplificado consiste en tratar el óxido de hierro con el carbonato, formándose óxido de carbonato y hierro libre. Si se trata el óxido de carbono con más óxido de hierro, se forma anhídrido carbónico y más hierro libre. En el proceso indirecto se empieza por reducir el óxido de hierro para obtener colado o fundición.

Aleaciones con otros elementos. Los productos quirúrgicos comúnmente van acompañado de otros elementos, además del carbono, que pueden ser pequeñas

cantidades

como

impureza

o

bien

grandes

cantidades que le modifican sus propiedades. Los más comunes son el silicio (Si), azufre (S), fósforo (P), aluminio (Al) y manganeso (Mn). El silicio, si está contenido en pequeñas proporciones es favorable a la resistencia, pero si aumenta su contenido, hace el acero más fusible, por lo cual disminuye su soldabilidad. El azufre es siempre perjudicial. El fósforo es favorable para el forjado en caliente, pero hace quebradizo al hierro en frío cuando se encuentra en gran cantidad. También disminuye el punto de fusión del hierro. El manganeso es el metal que con más frecuencia importantes

acompaña

propiedades.

el

acero

Favorece

al la

que

comunica

maleabilidad

y

disminuya ligeramente la velocidad de corrosión del acero. Aumenta la dureza. El aluminio hace el acero más fusible y más moldeable.

13


METALES

Hierro Dulce. Es de color gris claro. Funde a temperatura de 1,500 C y puede soldarse consigo mismo. Es tenaz.

Fundición. El hierro colado o fundición se fabrica en los llamados altos hornos. Se caracteriza por servir para moldeo, ser resistente a la compresión y tener fragilidad. Se puede obtener varias clases

de

hierro

colado dependiendo

del proceso

de

fabricación, del enfriamiento, de la materia prima y de la ganga del mineral, pudiéndose dividir en dos grupos: fundiciones ordinarias y fundiciones especiales. Las Fundiciones Ordinarias están formadas principalmente de hierro y carbono. Puede ser: la fundición gris, la fundición blanca y la fundición maleable. Las Fundiciones Especiales pueden ser: ferromanganesas y ferrosilíeas. Cuando sale de la fundición del alto horno tiene una gran elevada proporción de carbono y de elementos que alcanza el 7% de la masa total. Para expulsar de la masa de hierro estas impurezas se procede al afino de la fundición, que consiste en oxidar los elementos por la acción del aire y de escoria ricas en óxido. Los procedimientos de afino son: pudelado, afino en convertidores (Bessemer o Thomas), Procedimiento de Martin Siemen, acero al crisol, acero eléctrico y acero con cementación. Los tres primeros pueden dar hierro dulce o aceros y los otros métodos se emplean únicamente para la obtención de acero. 14


METALES

Formas Comerciales. Las formas comerciales del hierro y del acero son muy variables

basta

consultar

los

catálogos

de

la

casa

distribuidoras para verificar la gran diversidad. Las principales formas son barra y hierro perfilados, los cuales son considerados como productos elaborados. Las barras pueden ser planas, cuadradas, hexagonales y redondas. Se laminan a partir de acero y hierro dulce. El acero dulce estirado en grandes longitudes constituye el alambre con diámetro que varía de 0.2 mm. a 5 mm. Dentro de los hierros perfilados se encuentran los angulares, los canales, las T, las dobles T. Las formas comerciales más corrientes de la fundición son tubos y columnas.

Aplicaciones. Los productos siderúrgicos tienen una numerosa y versátil aplicación. Son elementos resistentes en las estructuras, integrantes de las instalaciones o bien piezas decorativas.

a) Fundición: Su aplicación más importante, de acuerdo a algunos autores, es el afino para transformarla en acero o en hierro dulce. Se emplea, además, en la obtención de piezas moldeadas como tubos, usados mayormente en la conducción de agua potable; piezas especiales de fontanería, como codos, reducciones, etc.; Columnas, las cuales en la actualidad han sido sustituida por perfile; piezas ornamentales.

15


METALES

b) Hierro Dulce: Los comunes se usan en perfiles, los ordinarios en trabajos de cerrajería, los finos en piezas en general y los extrafinos en piezas metálicas.

c) Acero: Según el contenido de carbono los aceros se clasifican en extradulce, muy dulce, dulce, semiduro, duro, muy duro, y extraduro. - El acero extradulce se emplea para fabricar clavos y remaches. - El acero muy dulce se emplea en la fabricación de piezas de construcción como varilla y perfiles. - El acero dulce se destina a la confección de piezas de máquinas y tornillos. - El acero semiduro se utiliza en la fabricación de piezas mecánicas de carros. - El acero duro se utiliza en la fabricación de carriles grandes, resortes, martillos, cuchillos, ejes y muelles sencillos. - El acero muy duro tiene su principal aplicación de carriles

pequeños, resorte de grandes resistencias, cuchillos finos y sierras. - El acero extraduro tiene su principal utilidad en la confección de herramientas. La diferencia principal en esos aceros consiste en el porciento de carbono que contiene. Los aceros extradulce son los que menos por ciento de carbono contienen, mientras que los extraduro son los que más cantidad de carbono contiene y también mayor resistencia y dureza. Los aceros también se clasifican atendiendo al procedimiento de obtención, a sus usos y al elemento aleado que los acompañan. 16


METALES

Atendiendo al proceso de obtención se clasifican en: Bessemer, eléctricos y duplex. Por el uso en acero estructural, acero naval, acero de remaches, etc. Y por medio de elementos en aleación en aceros Sílice, acompañado de Si, es de alta resistencia y bajo peso; acero manganeso, acompañado de Mn; acero cromo, aleado con Cr, conocido comúnmente como acero inoxidable por tener esa propiedad; acero níquel, acompañado de Ni.

Protección del Hierro. El hierro se protege de la oxidación por medio del revestimiento con:

Pintura: Se empieza por limpiarlos y lavarlos con agua acidulada, con clorhídrico y cepillo metálico después se recubre con una capa de pintura de aceite. Grasa: Protege a los cuerpos ferroso no expuesto a la intemperie y durante corto tiempo. Deben ser neutro, ya que de lo contrario se convertirían ellas mismas en oxidantes.

Cemento: Con una lechada de mortero de cemento Portland se puede proteger el hierro de la oxidación.

Electrólisis: Consiste en colocar una capa de oxigeno al pieza siderúrgica, lo cual proporciona una protección eficaz. Esto se logra mediante la oxidación del ánodo. Es lo mismo que sucede con el aluminio y el cinc, y que evita que éstos se oxiden. La diferencia está en que estos últimos ocurre por vía natural y no artificial, como en el hierro.

Metalización: Consiste en recubrir el hierro con una película de cinc, estaño o plomo, fundidos por medio de inmersión. Cuando se usa cinc en el hierro se llama galvanizado o cincado. Si se usa estaño las piezas se llaman estañadas, si en 17


METALES

cambio se usa plomo el hierro se conoce como emplomado. De estos el cinc y el estaño se adhieren mejor al hierro.

La Galvanización: Consiste en calentar el cinc hasta fundirlo y darle un baño de inmersión al hierro en el cinc fundido, para que se recubra por una capa delgada de este metal. b. COBRE:

Estado Natural. Se encuentra nativo principalmente en EE. UU., Bolivia, Chile y Japón. Combinado se halla el Azurita (CO3Cu.Cu(OH)2), también la Cuprita (Cu2O) y la Clacopirita (S2FeCu) que es el principal mineral utilizado en la obtención del cobre. En la Rep. Dom. hay yacimiento de Calcopirita y Cuprita en la cordillera central y se cree que el cobre será el próximo mineral Dominicano a explotarce en pequeña y mediana escala.

Obtención. El método seguido en la industria para extracción del cobre son dos: vía seca y vía húmeda. El más importante es por la vía seca, que se basa en proceso de tostación y fusión del mineral.

Propiedades. Es un material de color rojizo. Es blando, maleable y tenaz. No se oxida al contacto del aire seco, pero al aire húmedo en presencia de anhídrido carbónico le hace cubrirse con una capa de sulfato de color verde azulado, la cual le protege de la oxidación. Es un excelente conductor de la electricidad. Adquiere un olor desagradable cuando se le frota.

Aplicaciones.

18


METALES

Tiene muy poca aplicación en la construcción debido a su costo. Su mayor uso es en la mecánica debido a sus propiedades químicas, eléctricas y térmicas. Se emplea en electricidad en la obtención de bobinados pararrayos y cables. Las principales formas comerciales son en tubos y alambres de diferentes diámetros y espesores.

Aleaciones de Cobre. Las dos principales aleaciones que forma el cobre son: Bronce: Es una aleación de cobre y estaño donde el cobre se encuentra en una proporción de 75 a 80%. Tiene color amarillo y resistente a los agentes atmosféricos y a los esfuerzos mecánicos. Se utiliza en la fabricación de armas, medallas, campanas y estatuas. En la construcción se emplea en grifos, tubos y uniones. Latón: Es una aleación de cobre y cinc. El cinc debe de estar en proporción menor de 45%, porque en proporción mayor el latón disminuye sus propiedades mecánicas. Tiene color amarillo y es resistente a la oxidación. No es atacada por el agua salada, razón por la cual se usa en la marina. Se emplea en ornamentación en la fabricación de tubos, en soldadura y en fabricación de alambres. c. ZINC:

Estado Natural. No se encuentra en la naturaleza en estado nativo sino combinado. El mineral más adecuadamente del cual se obtiene es la blenda (SnZ). Industrialmente se obtiene por dos vías: Vía seca y vía húmeda.

Propiedades. 19


METALES

Es de color blanco azulado, de brillo metálico. Es resistente a los agentes atmosféricos al recubrirse con una capa delgada de hidróxido que lo protege de la oxidación.

Aplicación. Tiene buena resistencia mecánica, por lo que se podría emplear en construcción como elemento resistente. Sin embargo, su mayor uso esta como elemento protector su aplicación más típica en al construcción es el revestimiento de techos. También se emplea en el revestimiento del hierro y de la madera. d. PLOMO:

Estado Natural. No se encuentra nativo en la naturaleza. El mineral más importante del cual se extrae es la ganela (SPb), que contiene 86.5% de plomo. Los principales yacimientos de galena se encuentran en EE. UU., Australia, México, Alemania y España.

Obtención El plomo se obtiene por varios procedimiento, por tostación y reducción, tostación y reacción, cementación y rodadura. La obtención por tostació y reducción consiste en someter la galena a tostación obteniéndose óxido de plomo el cual se convierte en plomo por medio de una función reductora. El plomo, obtenido por los procedimientos anteriores, es sometido a un proceso de purificación, y se conoce como afino de plomo, el cual consiste en separarlo de las impurezas que los acompañan.

Propiedades. Es un metal de color blanco azulado, pero en contacto con el aire adquiere un color gris al recibiese de una capa de óxido. Es 20


METALES

maleable, dúctil, flexible y muy blando, al extremo que es rayado por la uña. Funde a 327 C. El ácido nítrico lo ataca y lo disuelve. Los cambios de temperatura lo agrietan, en consecuencia no se usan los tubos de plomo en la conducción de agua o vapor caliente.

Aplicación. Después del hierro, el plomo es el metal de mayor uso, pero en la construcción su empleo es limitado debido a su poca resistencia. Se utiliza en la fabricación de fusibles eléctricos y tubos. En el comercio se encuentra bajo diferentes formas. Sus principales son lingotes, placas, alambres, tubos y balas. e. ALUMINIO:

Estado Natural. No se presenta nunca en estado nativo, abunda mucho en la naturaleza formando minerales. Se extrae casi exclusivamente de la bauxita (Al2O3.H2O). La obtención se efectúa por electrólisis de la bauxita.

Propiedades. Es un metal dúctil y maleable. No lo ataca el aire porque se recubre de una ligera capa de óxido que lo protege. Tiene muy buena conductividad tanto eléctrica como térmica.

Aplicaciones. Se emplea por sus buenas propiedades eléctricas en la fabricació de alambres destinado a construcción eléctrica. El aluminio también se emplea en forma de plancha, en el recubrimiento de techos. 21


METALES

f. ESTAÑO Estado Natural. Pocas veces se encuentra en estado nativo. Se obtiene principalmente de la casiterita (SnO2), que contiene 79% de estaño.

Obtención. Se obtiene por medio de reducción con carbono. La operación se realiza en hornos. La principal impureza del estaño es el hierro. Para eliminar esta impureza se funde nuevamente a bajas temperatura.

Propiedades. Es de color blanco de plata. Es poco resistente mecánicamente. Al doblar un abarra de estaño rechina, debido al rompimiento de sus cristales, cuyo ruido es llamado grito del estaño. Es resistente a los agentes atmosféricos a temperatura ordinaria, pero al elevarse la temperatura tiende a oxidarse.

Aplicación. En construcción el estaño se usa en el descubrimiento de objetos metálicos, principalmente en las plancha de hierro para formar la hojalata. También se utiliza en soldaduras y en formas de tubos, aunque estos resultan de alto costo

22


METALES

6. EL ACERO:

El acero es una aleación de diversos elementos entre ellos: Hierro, carbono, manganeso, silicio, cromo, níquel y vanadio. El carbono es el más importante y el que determina sus propiedades mecánicas. A mayor contenido de carbono, la dureza, la resistencia a la tracción y el límite elástico aumentan. La proporción de Carbono en los aceros varía de 0.10 a 1.5%. Por el contrario, disminuye la ductibilidad y la tenacidad. El manganeso es adicionado en forma de ferro – manganeso. Aumenta la forjabilidad del acero, su templabilidad y resistencia al impacto. Así mismo, disminuye su ductilidad. El silicio se adiciona en proporciones que varían de 0.05% a 0.50%. Se le incluye en la aleación para propósitos de desoxidación pues se combina con el oxigeno disuelto en la mezcla. El cromo incrementa la resistencia a la abrasión y la templabilidad; el níquel, por su parte, mejora la resistencia al impacto y la calidad superficial. Finalmente, el vanadio mejora la temperabilidad. El acero para ser utilizado en concreto armado se fabrica bajo las normas ASTM – A – 615/615M – 00, y A – 706/706M-00. En el Perú es producido a partir de la palanquilla pero en el extranjero también se suele conseguir el reciclaje de rieles de tren y ejes usados. Estos últimos son menos maleables, más duros y quebradizos. El refuerzo del concreto se presenta en tres formas: Varillas corrugadas, alambres y mallas electrosoldadas.

6.1. VARILLAS CORRUGADAS Y ALAMBRES:

23


METALES

Las varillas corrugadas son de sección circular y, como su nombre lo indica, presentan corrugaciones en su superficie para favorecer la adherencia con el concreto. Estas corrugaciones deben satisfacer requisitos mínimos para ser tomadas en cuenta en el diseño. Existen tres calidades distintas de acero corrugado: grado 40, grado 60 y grado 75 aunque en nuestro medio sólo se usa el segundo. Las características de estos tres tipos de acero se muestran en la tabla.

Fy (Kg/cm2) Fs (Kg/cm2) 2800 4900 Grado 40 4200 6300 Grado 60 5300 7000 Grado 75 Características resistentes de los aceros grado 40, 60 y 75 Donde:

Fy : Esfuerzo de fluencia del acero

Fs : Resistencia mínima a la tracción a la rotura Las varillas se denominan por números y sus características geométricas se presentan en la tabla.

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METALES

Varillas Corrugadas y sus características

Donde: db: diámetro nominal de varilla P: Perímetro de la varilla A: Área de la sección transversal de la varilla w: Peso lineal de la varilla e: Máximo espaciamiento entre corrugaciones de la varilla h: Altura mínima de las corrugaciones de la varilla c: Cuerda de las corrugaciones de la varilla NEMP: No existe en el mercado peruano. En la figura se muestra claramente el significado de los términos e, h y c

Características de las corrugaciones de las varillas de acero

25


METALES

Las varillas de la #3 a la #8 corresponden a un diámetro igual

a

su

denominación

en

octavos

de

pulgada.

Antiguamente las barras se hacían cuadradas y circulares. Las barras #9, #10, #11, #14 y #18 tienen una sección transversal cuya área es igual a la de barras con sección cuadrada y lado de 1’’, 1 1/8’’, 1 ¼’’, 1 ½’’ y 2’’. Sus diámetros se calcularon en función a esta característica. Las norma ASTM – A – 615/615M – 00 especifica aceros grado 40 y 60 en todas las denominaciones y acero grado 75 en varillas #11, #14 y #18. La norma ASTM – A – 706/706M – 00 especifica aceros de baja aleación soldables, grado 60. La norma ASTM – A – 996/996M – 00 permite el uso de acero provenientes de rieles y ejes. En el Perú, las varillas #2 se comercializan en rollos y no presentan corrugaciones, las varillas entre la #3 y #11 se expiden en largos de 30’ o 9m, pudiendo conseguir en 6m o 12m bajo pedido. El alambre de refuerzo puede ser liso o corrugado y es fabricado bajo las normas ASTM – A – 82-97a y A – 496 – 97a, respectivamente. Se usa, principalmente, como refuerzo transversal en columnas. El código del ACI establece que para aceros con esfuerzo de fluencia mayor que 4200 kg/cm2, se considerará como esfuerzo de fluencia, el esfuerzo correspondiente a una deformación de 0.35%. Este esfuerzo no deberá se superior a los 5600 kg/cm2 (ACI – 3.5.3.2, 9.4).

26


METALES

Actualmente, se están desarrollando nuevos tipos de corrugaciones que aumentan la adherencia entre acero y concreto.

6.2. MALLAS ELECTROSOLDADAS: Las mallas electrosoldadas se usan en elementos como losas, pavimentos, estructuras laminares y muros en los cuales se tiene un patrón regular de distribución del refuerzo. Están constituidas por alambres lisos o corrugados dispuestos en mallas cuadradas o rectangulares y soldados en los puntos de unión del refuerzo. Sus características están especificadas en las normas, ASTM – A – 496 – 97a y ASTM – 497 – 99 para alambre liso y corrugado, respectivamente. En el primer caso, se requiere un esfuerzo de fluencia mínimo de 4550 kg/cm2 y un esfuerzo ultimo de 5250 kg/cm2 y en el segundo, 4900 y 5600 kg/cm2, respectivamente. La norma especifica que el esfuerzo de fluencia se mide a una deformación de 0.5%. sin embargo, el código del ACI señala que siempre que éste exceda 4200 kg/cm2, se considerará, para efectos de diseño, que es igual al esfuerzo correspondiente a una deformación de 0.35% (ACI – 3.5.3.5, ACI – 3.5.3-6). Esta salvedad se debe a que los aceros con esfuerzo de fluencia mayor que 4200 kg/cm2 dan resultados poco conservadores cuando se asume un comportamiento elastoplástico del material, tal como lo asume el código. Por otro lado, el código del ACI, en los mismos artículos, señala que en mallas de alambres lisos, el espaciamiento entre hilos, no será mayor a 30CM salvo que se utilicen como estribos y en mallas de alambre corrugado, esta separación no será superior a 40cm (ACI – 3.5.3.3, 3.5.3.6)

27


METALES

El acero de las mallas suele tener menor ductilidad que el convencional pues el procedimiento de fabricación elimina el escalón de fluencia. La deformación de rotura oscila entre 1 y 3% la cual está muy por debajo de la correspondiente a los aceros normales.

6.3. TIPOS ESPECIALES DE ACERO DE REFUERZO: Existen aceros de refuerzo que presentan protección contra la corrosión. Se trata de los aceros con recubrimiento epóxico y aceros con cubierta de zinc o galvanizados, los cuales están sujetos a las normas ASTM – A – 775/775M – 00 y ASTM – A – 767/767 – 00b. Este tipo de refuerzo aún no se utiliza en el Perú. Se emplea en puentes, estacionamientos, plantas de tratamiento

de

aguas

servidas,

pistas

y

estructuras

expuestas al agua, agua de mas, intemperie o ambientes corrosivos

o

sales

para

deshielo.

El

refuerzo

con

recubrimiento epóxico debe manipularse con cuidado para no estropear la cobertura y, en el diseño, debe tenerse en cuenta que no tienen buena adherencia con el concreto por lo que se deben tomar las previsiones del caso. 7. PROPIEDADES MECÁNICAS DEL ACERO: a. RELACIÓN ESFUERZO – DEFORMACIÓN DEL ACERO:

En la figura se puede apreciar una porción de la curva esfuerzo – deformación para aceros de diversos grados. Como se observa, en la fase elástica, los aceros de distintas calidades tienen un comportamiento idéntico y las curvas se confunden. El módulo de elasticidad es definido como la tangente del ángulo α. Por lo tanto, este parámetro es independiente del grado del acero y se considera igual a:

28


METALES

Es = 2’039,000 kg/cm2

Curva esfuerzo – deformación y módulo de elasticidad del acero

A diferencia del comportamiento inicial, la amplitud del escalón de fluencia varía con la calidad del acero. El acero grado 40 presenta una fluencia más pronunciada que los aceros grado 60 y 75.

Idealización de la curva esfuerzo – deformación del acero asumido por el código del ACI

El código del ACI asume, para el diseño, que el acero tiene un comportamiento elastoplástico (ACI – 10.2.34) para pequeñas deformaciones.

29


METALES

El acero es un material que a diferencia del concreto tiene un comportamiento muy similar a tracción y a compresión. Por ello, se asume que la curva estudiada es válida para tracción y compresión. b. COEFICIENTE DE DILATACIÓN TÉRMICA:

Su valor es muy similar al del concreto: 11x10-6/ºC. Esto es una gran ventaja pues no se presentan tensiones internas entre refuerzo y concreto por los cambios de temperatura del medio. Ambos tienden a dilatarse y contraerse de modo similar.

c. MALEABILIDAD: Esta propiedad se garantiza a través de una prueba que consiste en doblar en frío una varilla de acero alrededor de un pin sin que ésta se astille en su parte exterior. El doblez debe ser de 180º para las carillas de todas las denominaciones excepto para las #14 y #18 cuyo doblez es de 90º para A – 615, A – 616, A – 617 y 180º para A – 706. El diámetro del pin varía de acuerdo a la varilla ser ensayada y se indica en la tabla.

Diámetros del pin para la prueba de maleabilidad del acero

Donde:

db: Diámetro de la varilla ensayada

8. CLASIFICACION DEL ACERO : 30


METALES

Los diferentes tipos de acero se agrupan en cinco clases principales: aceros al carbono, aceros aleados, aceros de baja aleación ultra resistente, aceros inoxidables y aceros de herramientas. a. 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. b. 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 se emplean, por ejemplo, para fabricar engranajes y ejes de motores, patines o cuchillos de corte.

c. Aceros de Baja Aleación Ultra Resistentes:

Esta familia es la más reciente de las cinco grandes clases de acero. Los aceros de baja aleación son más baratos que los aceros aleados convencionales ya que contienen cantidades menores de los costosos elementos de aleación. Sin embargo, reciben un tratamiento especial que les da una resistencia mucho mayor que la del acero al carbono. Por ejemplo, los vagones de mercancías fabricados con aceros de baja aleación pueden transportar cargas más grandes porque sus paredes 31


METALES

son más delgadas que lo que sería necesario en caso de emplear acero al carbono. Además, como los vagones de acero de baja aleación pesan menos, las cargas pueden ser más pesadas. En la actualidad se construyen muchos edificios con estructuras de aceros de baja aleación. Las vigas pueden ser más delgadas sin disminuir su resistencia, logrando un mayor espacio interior en los edificios. d. Aceros Inoxidables:

Los aceros inoxidables contienen cromo, níquel y otros elementos de aleación, que los mantienen brillantes y resistentes a la herrumbre y oxidación a pesar de la acción de la humedad o de ácidos y gases corrosivos. Algunos aceros inoxidables son muy duros; otros son muy resistentes y mantienen

esa

resistencia

durante

largos

periodos

a

temperaturas extremas. Debido a sus superficies brillantes, en arquitectura se emplean muchas veces con fines decorativos. El acero inoxidable se utiliza para las tuberías y tanques de refinerías de petróleo o plantas químicas, para los fuselajes de los aviones o para cápsulas espaciales. También se usa para fabricar instrumentos y equipos quirúrgicos, o para fijar o sustituir huesos rotos, ya que resiste a la acción de los fluidos corporales. En cocinas y zonas de preparación de alimentos los utensilios son a menudo de acero inoxidable, ya que no oscurece los alimentos y pueden limpiarse con facilidad. Los aceros inoxidables son más resistentes a la corrosión y a las manchas de los que son los aceros al carbono y de baja aleación. Este tipo de resistencia superior a la corrosión se produce por el agregado del elemento cromo a las aleaciones de hierro y carbono. La mínima cantidad de cromo necesaria para conferir esta resistencia superior a la corrosión depende de los agentes de corrosión. 32


METALES

Las principales ventajas del acero inoxidable son: •

Alta resistencia a la corrosión.

•

Alta resistencia mecánica.

•

Apariencia y propiedades higiénicas.

•

Resistencia a altas y bajas temperaturas.

•

Buenas propiedades de soldabilidad, mecanizado, corte, doblado y plegado.

•

Bajo costo de mantenimiento.

•

Reciclable.

Como consecuencia de diferentes elementos agregados como níquel, cromo, molibdeno, titanio, niobio y otros, producen distintos tipos de acero inoxidable, cada uno con diferentes propiedades.

Aceros Inoxidables Ferríticos:



También se consideran simplemente al Cromo, su contenido varia de 12 a 18%, pero el contenido de Carbono es bajo <0.2%. Buena resistencia a la corrosión. La dureza no es muy alta y no pueden incrementarla por tratamiento térmico. Se usa en equipo

y

utensilios

domésticos

y

en

aplicaciones

arquitectónicas y decorativas.

Aceros Inoxidables Auténticos:



Son

los

más

utilizados

por

su

amplia

variedad

de

propiedades, se obtienen agregando Níquel a la aleación, por lo que la estructura cristalina del material se transforma en austenita y de aquí adquieren el nombre. El contenido de

33


METALES

Cromo varía de 16 a 28%, el de Níquel de 3.5 a 22% y el de Molibdeno 1.5 a 6%. Tienen una excelente resistencia a la corrosión, excelente factor de higiene - limpieza, fáciles de transformar, excelente soldabilidad, no se endurecen por tratamiento térmico, se pueden utilizar tanto a temperaturas criogénicas como a elevadas. Se emplea en los utensilios y equipo para uso doméstico, hospitalario y en la industria alimentaria, tanques, tuberías, etc.



Aceros Inoxidables Martensíticos: Son la primera rama de los aceros inoxidables, llamados simplemente al Cromo y fueron los primeros desarrollados industrialmente

(aplicados

en

cuchillería).

Tienen

un

contenido de Carbono relativamente alto de 0.2 a 1.2% y de Cromo de 12 a 18%. Tiene una elevada dureza y gran facilidad de maquinado, resistencia a la corrosión moderada. Se usa en ejes, flechas, instrumental quirúrgico y cuchillería. e. Aceros de Herramientas:

Estos aceros se utilizan para fabricar muchos tipos de herramientas y cabezales de corte y modelado de máquinas empleadas en diversas operaciones de fabricación. Contienen volframio, molibdeno y otros elementos de aleación, que les proporcionan mayor resistencia, dureza y durabilidad. Ejemplo taladros, escariadores, fresas, terrajas y machos de rosca.

9. OXIDACIÓN DEL ACERO:

34


METALES

El acero debe estar libre de oxido durante su colocación pues éste perjudica la adherencia con el concreto. Si las varillas lo presentan, deben limpiarse con escobilla de acero o con chorro de arena. El oxido reduce la sección transversal de las varillas afectando directamente su capacidad resistente. Durante el proceso constructivo debe verificarse que esta disminución no sea crítica. El volumen de oxido es igual a siete veces el volumen del acero. Si el refuerzo se oxida dentro del concreto, aumentará de volumen y el recubrimiento se desprenderá. Con el ingreso del oxigeno la reacción se llevará a cabo más rápidamente y la armadura terminará por corroerse totalmente.

10.SOLDADURA DEL ACERO: En general, todos los aceros son soldables si se emplea el electrodo y la soldadura adecuada, que no recalienten el acero y lo hagan perder sus propiedades. Los puntos de soldadura deben indicarse en los planos, con sus detalles y debe especificarse el procedimiento de soldado, el cual características del acero por soldar.

será compatible con las Es conveniente realizar

análisis de la composición química del refuerzo para determinar la soldadura adecuada. Estas previsiones no son necesarias si se utiliza acero de la especificación ASTM – A – 706/706M – 00 pues su composición química está diseñada especialmente para hacerlo soldable. No se deben soldar estribos a la armadura principal.

35


METALES

11. TIPOS DE ACERO 9.1.ACERO CORRUGADO

El acero corrugado es una clase de acero laminado diseñado especialmente para construir elementos estructurales en una obra civil, 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, todo ello para que estas operaciones resulten más seguras y con un menor gasto energético. Se llama armadura a un conjunto de barras de acero corrugado

que

forman

un

conjunto

funcionalmente

homogéneo, es decir, trabajan conjuntamente para resistir cierto tipo de esfuerzo o cumplen la misma función constructiva.

ESTANDARIZACIÓN Las barras de acero corrugado, están normalizadas; por ejemplo, en España las regulan las normas (UNE 36068:1994UNE 36065:2000 –UNE36811:1996). En Venezuela las barras de acero corrugado se conocen como cabillas y están reguladas por norma Las barras de producto corrugado tienen unas características técnicas que deben cumplir, para asegurar el cálculo correspondiente de las estructuras de hormigón armado. Entre las características técnicas destacan las siguientes:

9.2.

ACERO ESTRUCTURAL:

36


METALES

Se define como acero estructural al producto de la aleación de hierro, carbono y pequeñas cantidades de otros elementos tales como silicio, fósforo, azufre y oxígeno, que le aportan características específicas. El acero laminado en caliente, fabricado con fines estructurales, se denomina como acero estructural al carbono, con límite de fluencia de 250 megapascales (2549 kg/cm 2). Es el material estructural más usado para construcción de estructuras en el mundo. Es fundamentalmente una aleación de hierro (mínimo 98 %), con contenidos de carbono menores del 1 % y otras pequeñas cantidades de minerales como manganeso, para mejorar su resistencia, y fósforo, azufre, sílice y vanadio para mejorar su soldabilidad y resistencia a la intemperie.

12.ACERO ESTRUCTURAL 10.1. PROPIEDADES

Y

CUALIDADES

DEL

ACERO

ESTRUCTURAL: Su alta resistencia, homogeneidad en la calidad y fiabilidad de la misma, soldabilidad, ductilidad, incombustible, pero a altas

temperaturas

fundamentales

sus

se ven

propiedades

mecánicas

gravemente afectadas,

buena

resistencia a la corrosión en condiciones normales. El acero es más o menos un material elástico, responde teóricamente igual a la compresión y a la tensión, sin embargo con bastante fuerza aplicada, puede comenzar a comportarse como un material plástico, pero a diferencia de los materiales plásticos a máximas solicitaciones romper, pero su comportamiento plástico en tales situaciones como un terremoto, la fase plástica es útil, ya que da un plazo para escapar de la estructura 37


METALES

•

CLASIFICACIÓN DEL ACERO ESTRUCTURAL O DE REFUERZO: El acero estructural, según su forma, se clasifica en: a. PERFILES

ESTRUCTURALES:

Los

perfiles

estructurales son piezas de acero laminado cuya sección transversal puede ser en forma de I, H, T, canal o ángulo. b. BARRAS: Las barras de acero estructural son piezas

de acero laminado, cuya sección transversal puede ser circular, hexagonal o cuadrada en todos los tamaños. c. PLANCHAS: Las planchas de acero estructural son

productos planos de acero laminado en caliente con anchos de 203 mm y 219 mm, y espesores mayores de 5,8 mm y mayores de 4,5 mm, respectivamente. •

ACEROS PARA HORMIGÓN – ACERO DE REFUERZO PARA ARMADURAS - Barras corrugadas - Alambrón - Alambres trefilados (lisos y corrugados) - Mallas electro soldables de acero – Mallazo - Armaduras básicas en celosía. -

Alambres,

torzales

y

cordones

para

hormigón

pretensado. - Armaduras pasivas de acero - Redondo liso para Hormigón Armado - Aceros para estructuras en zonas de alto riesgo sísmico.

38


METALES

Para estructuras de hormigón se utilizan barras lisas y corrugadas, con diámetros que oscilan entre los 6mm y los 40mm, aunque lo común en una armadura de hormigón es que difícilmente superen los 32mm. Además el acero de refuerzo se utiliza en las mallas electro soldadas o

mallazo constituidos

por alambres de

diámetros entre 4mm a 12mm.


•

•

Se

denomina

impurezas a todos

los

elementos

indeseables en la composición de los aceros. Se encuentran en los aceros y también en las fundiciones como consecuencia de que están presentes en los minerales o los combustibles. Se procura eliminarlas o reducir su contenido debido a que son perjudiciales para las propiedades de la aleación. En los casos en los que eliminarlas resulte imposible o sea demasiado costoso, se admite su presencia en cantidades mínimas.


•

•

El límite de fluencia es la zona máxima en la cual el

módulo de Young es constante. También es la zona límite a partir de la cual el material se deforma plásticamente. •

También denominado límite elástico aparente, indica la

tensión que soporta una probeta del ensayo de tracción en el momento de producirse el fenómeno de la cedencia o fluencia. Este fenómeno tiene lugar en la zona de transición entre

las

deformaciones

elásticas

y

plásticas y

se

caracteriza por un rápido incremento de la deformación sin aumento apreciable de la carga aplicada. 39


METALES

El límite elástico, también denominado límite de elasticidad y

límite de fluencia, es la tensión máxima que un material elástico puede soportar sin sufrir deformaciones permanentes. Si se aplican tensiones superiores a este límite, el material experimenta deformaciones permanentes y no recupera su forma original al retirar las cargas. En general, un material sometido a tensiones inferiores a su límite de elasticidad es deformado temporalmente de acuerdo con la ley de Hooke. Los materiales sometidos a tensiones superiores a su límite de elasticidad tienen un comportamiento plástico. Si las tensiones ejercidas continúan aumentando el material alcanza su punto de fractura. El límite elástico marca, por tanto, el paso del campo elástico a la zona de fluencia. Más formalmente, esto comporta que en una situación de tensión uniaxial, el límite elástico es la tensión admisible a partir de la cual se entra en la superficie de fluencia del material.

Determinación del límite elástico

40


METALES

Determinación del límite elástico convencional. Si se disponen las tensiones en función de las deformaciones en un gráfico se observa que, en un principio y para la mayoría de los materiales (los elastómeros no lo cumplen, por ejemplo), aparece una zona que sigue una distribución casi lineal, donde la pendiente es el módulo de elasticidad E. Esta zona se corresponde a las deformaciones elásticas del material hasta un punto donde la función cambia de régimen y empieza a curvarse, zona que se corresponde al inicio del régimen plástico. Ese punto es el límite elástico. Debido a la dificultad para localizarlo exactamente y con total fidelidad, ya que en los gráficos experimentales la recta es difícil de determinar y existe una banda donde podría situarse el límite elástico, en ingeniería se adopta un criterio convencional y se considera como límite elástico la tensión a la cual el material tiene una deformación plástica del 0.2% (o también ε = 0.002) El alargamiento en tecnología de materiales también conocido como elongación es una magnitud que mide el aumento de longitud que tiene un material cuando se le somete a un esfuerzo de tracción antes de producirse su rotura. El alargamiento se expresa en como tanto por ciento (%) con respecto a la longitud inicial. En un material elástico, cuando el alargamiento no supera el límite elástico del material este recupera su longitud inicial cuando cesa el esfuerzo de tracción pero si supera el límite elástico ya no recupera su longitud inicial.

41


METALES

Ala de gran alargamiento, de superficie alar A

Ala de poco alargamiento, con la misma superficie alar A En el caso de la tecnología aeronáutica, el alargamiento o "aspect ratio" de un ala es el cociente de dividir la envergadura por la cuerda media. Es decir es la proporción entre la longitud y la anchura media del ala. Este valor es decisivo en el valor de la resistencia inducida, y por tanto del coeficiente de planeo o equivalente la eficiencia del ala.


La terminología de la ASTM (G15) define la corrosión como “la reacción química o electroquímica entre un material, usualmente un metal y su medio ambiente, que produce un deterioro del material y de sus propiedades”. Para el acero embebido en el concreto (hormigón), la corrosión da como resultado la formación

42


METALES

de óxido que tiene 2 a 4 veces el volumen del acero original y la pérdida de sus óptimas propiedades mecánicas. La corrosión produce además descascaramiento y vacíos en la superficie del acero de refuerzo, reduciendo la capacidad resistente como resultado de la reducción de la sección transversal. La mayor parte de los procesos de corrosión del acero estructural son de naturaleza electroquímica y suceden en etapas. El ataque inicial ocurre en las áreas anódicas sobre la superficie, donde los iones ferrosos son disueltos. De las áreas anódicas se liberan los electrones que se mueven a través de la estructura metálica, a las áreas catódicas adyacentes existentes en la superficie, donde se combinan con el oxígeno y con el agua, formando iones hidroxilos. Éstos reaccionan con los iones ferrosos generados en el ánodo, produciendo hidróxido ferroso que, a su vez, se oxida al aire produciendo el óxido de hierro hidratado, conocido como herrumbre. Todas estas reacciones pueden ser descriptas mediante la ecuación: 4Fe + 3O2 + 2H2O → 2Fe2O3 · H2O. Dos puntos importantes son consecuencias directas de las consideraciones anteriores: Para que el acero se corroa, es necesaria la presencia simultánea de agua y de oxígeno. En ausencia de una de estas substancias, no se produce corrosión. Toda la corrosión ocurre en el ánodo; en el cátodo no hay corrosión. Pero después de un tiempo y debido a los efectos de polarización (tal como el crecimiento de la capa de herrumbre en las regiones anódicas),

la

velocidad

del

proceso

de

corrosión

decae

substancialmente. En ese momento se desarrolla un nuevo

43


METALES

proceso: las regiones catódicas pasan a comportarse como anódicas, y viceversa. Los cátodos se transforman en ánodos y los ánodos en cátodos. De este modo, se va corroyendo toda la superficie de modo uniforme en un proceso conocido como «corrosión generalizada». La Figura 1 ilustra este fenómeno

b. TIPOS DE CORROSIÓN Antes de analizar los efectos para la sociedad que tiene la corrosión, tenemos que ver los diversos tipos de corrosión que existen. Los tipos de corrosión se pueden clasificar de la siguiente manera:



General o Uniforme:

Es aquella corrosión que se produce

con el adelgazamiento uniforme producto de la pérdida regular del metal superficial. A su vez, esta clase de corrosión se subdivide en otras:

c. Atmosférica:

De todas las formas de corrosión, la Atmosférica es la que

produce mayor cantidad de daños en el material y en mayor proporción. Grandes cantidades de metal de automóviles, puentes o edificios están expuestas a la atmósfera y por lo mismo se ven atacados por oxígeno y agua. La severidad de esta clase de corrosión se incrementa cuando la sal, los compuestos de sulfuro y otros contaminantes atmosféricos están presentes. Para hablar de esta clase de

44


METALES

corrosión es mejor dividirla según ambientes. Los ambientes atmosféricos son los siguientes: •

Industriales:

Son los que contienen compuestos sulfurosos, nitrosos y

otros agentes ácidos que pueden promover la corrosión de los metales. En adición, los ambientes industriales contienen una gran cantidad de partículas aerotransportadas, lo que produce un aumento en la corrosión. •

Marinos:

Esta clase de ambientes se caracterizan por la presencia de

cloridro, un ión particularmente perjudicial que favorece la corrosión de muchos sistemas metálicos. •

Rurales:

En estos ambientes se produce la menor clase de corrosión

atmosférica, caracterizada por bajos niveles de compuestos ácidos y otras especies agresivas. Existen factores que influencian la corrosión atmosférica. Ellos son la Temperatura, la Presencia de Contaminantes en el Ambiente y la Humedad.

b. Galvánica:

La corrosión Galvánica es una de las más comunes que se

pueden encontrar. Es una forma de corrosión acelerada que puede ocurrir cuando metales distintos (con distinto para redox) se unen eléctricamente en presencia de un electrolito (por ejemplo, una solución conductiva).

El ataque galvánico puede ser uniforme o localizado en la unión entre aleaciones, dependiendo de las condiciones. La corrosión galvánica puede ser particularmente severa cuando las películas protectoras de corrosión no se forman o son eliminadas por erosión.

45


METALES

Esta forma de corrosión es la que producen las Celdas Galvánicas. Sucede que cuando la reacción de oxidación del ánodo se va produciendo se van desprendiendo electrones de la superficie del metal que actúa como el polo negativo de la pila (el ánodo) y así se va produciendo el desprendimiento paulatino de material desde la superficie del metal. Este caso ilustra la corrosión en una de sus formas más simples. Quizá la problemática mayor sobre corrosión esté en que al ser este caso bastante común se presente en variadas formas y muy seguido. Por ejemplo, la corrosión de tuberías subterráneas se puede producir por la formación de una pila galvánica en la cual una torre de alta tensión interactúa con grafito solidificado y soterrado, con un terreno que actúe de alguna forma como solución conductiva.

c. Metales Líquidos:

La corrosión con metales líquidos corresponde a una

degradación de los metales en presencia de ciertos metales líquidos como el Zinc, Mercurio, Cadmio, etc. Ejemplos del ataque por metal líquido incluyen a las Disoluciones Químicas, Aleaciones Metal-a-Metal (por ej., el amalgamamiento) y otras formas.

d. Altas Temperaturas:

Algunos metales expuestos a gases oxidantes en

condiciones de muy altas temperaturas, pueden reaccionar directamente con ellos sin la necesaria presencia de un electrolito. Este tipo de corrosión es conocida

como

Empañamiento,

Escamamiento

o

Corrosión

por

Altas

Temperaturas. Generalmente esta clase de corrosión depende directamente de la temperatura. Actúa de la siguiente manera: al estar expuesto el metal al gas oxidante, se forma una pequeña capa sobre el metal, producto de la combinación entre el metal y el gas en esas condiciones de temperatura. Esta capa o “empañamiento” actúa como un electrolito “sólido”, el que permite que se produzca la corrosión de la pieza metálica mediante el movimiento iónico en la superficie. Algunas

•

maneras

de evitar esta clase de corrosión son las siguientes:

Alta estabilidad termodinámica, para generar en lo posible otros productos para reacciones distintas.

•

Baja Presión de Vapor, de forma tal que los productos generados sean sólidos y no gases que se mezclen con el ambiente.

La corrosión por Altas Temperaturas puede incluir otros tipos de corrosión, como la Oxidación, la Sulfatación, la Carburización, los Efectos del Hidrógeno, etc.

46


METALES



Localizada: La segunda forma de corrosión, en donde la pérdida de metal ocurre en áreas discretas o localizadas. Al igual que la General/Uniforme, la corrosión Localizada se subdivide en otros tipos de corrosión. A continuación, veremos los más destacados.

b. Corrosión por Fisuras o “Crevice”: La corrosión por crevice o por fisuras es la que se produce en pequeñas cavidades o huecos formados por el contacto entre una pieza de metal igual o diferente a la primera, o más comúnmente con un elemento no metálico. En las fisuras de ambos metales, que también pueden ser espacios en la forma del objeto, se deposita la solución que facilita la corrosión de la pieza. Se dice, en estos casos, que es una corrosión con ánodo estancado, ya que esa solución, a menos que sea removida, nunca podrá salir de la fisura. Además, esta cavidad se puede generar de forma natural producto de la interacción iónica entre las partes que constituyen la pieza.

Algunas formas de prevenir esta clase de corrosión son las siguientes: •

rediseño del equipo o pieza afectada para eliminar fisuras.

•

cerrar las fisuras con materiales no-absorventes o incorporar una barrera para prevenir la humedad.

•

prevenir o remover la formación de sólidos en la superficie del metal.

c. Corrosión por Picadura o “Pitting” : Es altamente localizada, se produce en zonas de baja corrosión generalizada y el proceso (reacción) anódico produce unas pequeñas “picaduras” en el cuerpo que afectan. Puede observarse generalmente en superficies con poca o casi nula corrosión generalizada. Ocurre como un proceso de disolución anódica local donde la pérdida de metal es acelerada por la presencia de un ánodo pequeño y un cátodo mucho mayor. Esta clase de corrosión posee algunas otras formas derivadas:

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METALES

•

Corrosión por Fricción o Fretting: es la que se produce por el movimiento relativamente pequeño (como una vibración) de 2 sustancias en contacto, de las que una o ambas son metales. Este movimiento genera una serie de picaduras en la superficie del metal, las que son ocultadas por los productos de la corrosión y sólo son visibles cuando ésta es removida.

•

Corrosión por Cavitación: es la producida por la formación y colapso de burbujas en la superficie del metal (en contacto con un líquido). Es un fenómeno semejante al que le ocurre a las caras posteriores de las hélices de los barcos. Genera una serie de picaduras en forma de panal.

•

Corrosión Selectiva: es semejante a la llamada Corrosión por Descincado, en donde piezas de cinc se corroen y dejan una capa similar a la aleación primitiva. En este caso, es selectiva porque actúa sólo sobre metales nobles como al Plata-Cobre o Cobre-Oro. Quizá la parte más nociva de esta clase de ataques está en que la corrosión del metal involucrado genera una capa que recubre las picaduras y hace parecer al metal corroído como si no lo estuviera, por lo que es muy fácil que se produzcan daños en el metal al someterlo a una fuerza mecánica.

c. Corrosión Microbiológica (MIC):

Es aquella corrosión en la cual organismos

biológicos son la causa única de la falla o actúan como aceleradores del proceso corrosivo localizado. La MIC se produce generalmente en medios acuosos en donde los metales están sumergidos o flotantes. Por lo mismo, es una clase común de corrosión. Los organismos biológicos presentes en el agua actúan en la superficie del metal, acelerando el transporte del oxígeno a la superficie del metal, acelerando o produciendo, en su defecto, el proceso de la corrosión

d. La Corrosión en la Industria y sus Procesos:

Como se mencionó en un

principio, la mayor problemática de la corrosión es la destrucción del metal al que afecta. Ahora intentaremos ver un enfoque desde la industria, el sector más afectado por la corrosión, a cerca de los ataques que este proceso causa. Podemos hablar desde fracturas, hasta fugas en tanques, disminución de la resistencia mecánica de las piezas y muchas otras maneras de efectos por los ataques. Aún así, lo peor de todo es que si no son prevenidas estas clases de ataques por corrosión, la seguridad de las personas es algo que se ve permanentemente afectado. Existen dos clases de pérdidas desde el punto de vista económico.

•

DIRECTAS: las pérdidas directas son las que afectan de manera inmediata cuando se produce el ataque. Estas se pueden clasificar en varios tipos también, de las cuales las más importantes son el Coste de las Reparaciones,

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METALES

las Sustituciones de los Equipos Deteriorados y Costes por Medidas Preventivas. •

INDIRECTAS: se consideran todas las derivadas de los fallos debidos a los ataques de corrosión. Las principales son la Detención de la Producción debida a las Fallas y las Responsabilidades por Posibles Accidentes.

En general, los costes producidos por la corrosión oscilan cerca del 4% del P.I.B. de los países industrializados. Muchos de estos gastos podrían evitarse con un mayor y mejor uso de los conocimientos y técnicas que hoy en día están disponibles.

14.VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL ACERO COMO MATERIAL DE CONSTRUCCIÓN: VENTAJAS DEL ACERO COMO MATERIAL ESTRUCTURAL: •

Alta resistencia.- La alta resistencia del acero por unidad de peso implica que será poco el peso de las estructuras, esto es de gran importancia en puentes de grandes claros.

•

Uniformidad.- Las propiedades del

acero

no cambian

apreciablemente con el tiempo como es el caso de las estructuras de concreto reforzado. •

Durabilidad.- Si el mantenimiento de las estructuras de acero es adecuado duraran indefinidamente.

•

Ductilidad.- La ductilidad es la propiedad que tiene un material de soportar grandes deformaciones sin fallar bajo altos esfuerzos de tensión. La naturaleza dúctil de los aceros estructurales comunes les permite fluir localmente, evitando así fallas prematuras.

•

Tenacidad.- Los aceros estructurales son tenaces, es decir, poseen resistencia y ductilidad. La propiedad de un material para absorber energía en grandes cantidades se denomina tenacidad.

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METALES

Otras ventajas importantes del acero estructural son: •

Gran facilidad para unir diversos miembros por medio de varios tipos de conectores como son la soldadura, los tornillos y los remaches.

•

Posibilidad de prefabricar los miembros de una estructura.

•

Rapidez de montaje.

•

Gran capacidad de laminarse y en gran cantidad de tamaños y formas.

•

Resistencia a la fatiga.

•

Posible rehuso después de desmontar una estructura.

DESVENTAJAS DEL ACERO COMO MATERIAL ESTRUCTURAL: •

Costo de mantenimiento.- La mayor parte de los aceros son susceptibles a la corrosión al estar expuestos al agua y al aire y, por consiguiente, deben pintarse periódicamente.

•

Costo de la protección contra el fuego.- Aunque algunos miembros estructurales son incombustibles, sus resistencias se reducen considerablemente durante los incendios.

•

Susceptibilidad al pandeo.- Entre más largos y esbeltos sean los miembros a compresión, mayor es el peligro de pandeo. Como se indico previamente, el acero tiene una alta resistencia por unidad de peso, pero al utilizarse como columnas no resulta muy económico ya que debe usarse bastante material, solo para hacer más rígidas las columnas contra el posible pandeo.

•

NOTA:

El acero estructural puede laminarse en forma

económica en una gran variedad de formas y tamaños sin cambios apreciables en sus propiedades físicas. Generalmente los miembros estructurales más convenientes son aquellos con

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METALES

grandes momentos de inercia en relación con sus áreas. Los perfiles I, T y L tienen esta propiedad.

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METALES

CONCLUSIONES 1. El acero es un material para la ingeniería civil muy importante, ya q este posee propiedades de alta resistencia, es decir, soporta cargas muy pesadas; y justamente se necesita estructuras o materiales de este tipo para la construcción y edificación q realiza un ingeniero civil.

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INFORME ACERO

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