22
Acero inoxidable
Instituto Técnico de la Estructura en Acero
ITEA
ÍNDICE
ÍNDICE DEL TOMO 22 ACERO INOXIDABLE
Lección 22.1: Introducción al Acero Inoxidable ....................................
1
1 INTRODUCCIÓN AL ACERO INOXIDABLE .................................................
4
2 HISTORIA .......................................................................................................
5
3 ¿QUÉ ES EL ACERO INOXIDABLE? ...........................................................
6
4 ¿POR QUÉ UTILIZAR ACERO INOXIDABLE ...............................................
8
4.1 Razones ..................................................................................................
8
4.2 Otras propiedades positivas del acero inoxidable ............................
8
5 TIPOS DE ACERO INOXIDABLE ..................................................................
10
5.1 Aceros inoxidables austeníticos .........................................................
10
5.2 Otras Aleaciones Inoxidables ..............................................................
11
6 DESIGNACIÓN DE LOS ACEROS INOXIDABLES ......................................
14
6.1 Sistema descriptivo ..............................................................................
14
6.2 Sistema AISI ..........................................................................................
14
6.3 Sistema de Número de Material (Nº Werkstoff) ..................................
14
6.4 Sistema abreviado de designación .....................................................
15
6.5 Aplicación según las normas ..............................................................
15
7 TRABAJO DE TALLER Y PRODUCTOS ......................................................
16
7.1 Formas de los Productos .....................................................................
16
7.2 Trabajo en frío .......................................................................................
16
7.3 Soldabilidad ...........................................................................................
16
7.4 Acabados ...............................................................................................
16
8 TORNILLOS Y TUERCAS .............................................................................
18
9 APLICACIONES TÍPICAS .............................................................................
20
10 RESUMEN FINAL ...........................................................................................
22
11 BIBLIOGRAFÍA...............................................................................................
22 I
Lección 22.2: Comportamiento y Proyecto Estructurales ...................
23
1 INTRODUCCIÓN .............................................................................................
26
2 CONSIDERACIONES PRELIMINARES .........................................................
27
2.1 Generalidades ........................................................................................
27
2.2 Selección de la Clase del Material ......................................................
27
2.3 Disponibilidad de Formas Estructurales ............................................
27
3 COMPORTAMIENTO MECÁNICO ..................................................................
29
3.1 Relaciones Tensión/Deformación ........................................................
29
3.1.1
Comportamiento tensión-deformación básico ......................
29
3.1.2
Factores que afectan al comportaiento ..................................
30
3.2 Tabajo en frío .........................................................................................
30
3.3 Efectos de la Temperatura ...................................................................
31
3.4 Otras propiedades .................................................................................
32
4 COMPORTAMIENTO Y PROYECTO DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES ...
33
4.1 Generalidades ........................................................................................
33
4.1.1
Cálculo elástico o plástico .......................................................
33
4.1.2
Efecto de la no linealidad del material ....................................
33
4.2 Clasificación y abolladura ....................................................................
36
4.2.1
Clasificación ..............................................................................
36
4.2.2
Abolladura ..................................................................................
37
4.3 Proyecto de pilares ...............................................................................
37
4.4 Proyecto de vigas ..................................................................................
42
5 UNIONES ........................................................................................................
44
5.1 Aspectos generales ..............................................................................
44
5.2 Uniones Atornilladas ............................................................................
44
5.3 Uniones Soldadas .................................................................................
44
6 RESUMEN FINAL ...........................................................................................
46
7 BIBLIOGRAFÍA ...............................................................................................
46
8 BIBLIOGRAFÍA ADICIONAL ..........................................................................
46
Lección 22.3: Corrosión de Acero Inoxidable .......................................
47
1 INTRODUCCIÓN .............................................................................................
50
2 TIPOS DE CORROSIÓN .................................................................................
51
II
ÍNDICE 2.1 Picadura .................................................................................................
51
2.2 Corrosión en Fisuras ............................................................................
51
2.3 Corrosión Bimetálica ............................................................................
52
2.4 Fisuración por Corrosión bajo Tensión ..............................................
52
2.5 Corrosión General (Uniforme) .............................................................
53
2.6 Ataque Intergranular y Degradación de la Soldadura .......................
53
3 SELECCIÓN DE LA CLASE ...........................................................................
54
4 CONSIDERACIONES DEL DETALLE ............................................................
56
5 ALMACENAMIENTO Y MANIPULACIÓN ......................................................
57
6 RESUMEN FINAL ...........................................................................................
58
7 BIBLIOGRAFÍA ...............................................................................................
58
Lección 22.4: Fabricación .......................................................................
59
1 INTRODUCCIÓN .............................................................................................
62
2 LABRA DEL ACERO INOXIDABLE ...............................................................
64
2.1 Corte .......................................................................................................
64
2.2 Perforación y Punzonado .....................................................................
64
2.3 Amoladura ..............................................................................................
65
3 OPERACIONES DE CONFORMACIÓN Y ENSAMBLAJE ............................
66
3.1 Conformación en frío ............................................................................
66
3.1.1
Plegado en prensa ....................................................................
66
3.1.2
Conformación en rodillo ...........................................................
66
3.1.3
Plegado ......................................................................................
66
3.1.4
Estiramiento profundo ..............................................................
67
3.2 Soldadura ...............................................................................................
68
3.2.1
Soldadura por fusión ................................................................
68
3.2.2
Soldadura por resistencia ........................................................
70
3.3 Bulones, Remaches y Tornillos ...........................................................
70
3.4 Unión por adhesivos .............................................................................
71
4 INSPECCIÓN ..................................................................................................
72
5 ACABADO .......................................................................................................
73
6 RESUMEN FINAL ...........................................................................................
74
7 BIBLIOGRAFÍA ...............................................................................................
74
DIAPOSITIVAS COMPLEMENTARIAS ..........................................................
75 III
ESDEP TOMO 22 ACERO INOXIDABLE Lección 22.1: Introducción al Acero Inoxidable
1
OBJETIVOS/ALCANCE OBJETIVOS/CONTENIDO Proporcionar una visión general de los aspectos básicos de los aceros inoxidables. Facilitar información práctica como introducción a las lecciones subsiguientes. LECCIONES AFINES Lección 22.2: Comportamiento y Proyecto Estructurales Lección 22.3: Corrosión de Acero Inoxidable Lección 22.4: Fabricación RESUMEN Se proporciona una breve visión histórica del desarrollo de los aceros inoxidables. Se faci-
litan antecedentes sobre la composición, las propiedades del acero y las diferencias respecto al acero al carbono. Se presenta una visión general de los aceros inoxidables agrupándolos en familias de acuerdo con su estructura metalúrgica. La lección continúa facilitando información práctica sobre las designaciones de las aleaciones en los diferentes sistemas utilizados, tornillos y tuercas, distinguiendo los diferentes aceros inoxidables, las razones de su utilización, las formas de productos disponibles y los acabados de superficie. Se señalan las aplicaciones típicas para ilustrar el uso del acero inoxidable en la construcción en acero.
3
1.
INTRODUCCIÓN AL ACERO INOXIDABLE
Los aceros inoxidables son materiales modernos. Desde que empezaron a estar disponibles para la industria, su uso se ha extendido constantemente hacia nuevas aplicaciones. Este proceso continúa incluso hoy. Para utilizar con éxito los aceros inoxidables en aplicaciones de construcción, es necesario conocer sus propiedades, sus capacidades en relación con la resistencia a la corrosión, la disponibilidad de formas de productos y acabados de superficie. Interesa asimismo conocer las aplicaciones de referencia que demuestran el éxito de la elección de los aceros inoxidables hace ya muchos años. Esta lección está diseñada para proporcionar una visión general de los aceros inoxidables, sus propiedades y las formas de productos disponibles que, junto con las lecciones subsiguientes, permitirán utilizarlos con éxito en proyectos de una forma efectiva en cuanto a costes, en términos de resistencia a la corrosión, mantenimiento y durabilidad. Los aceros inoxidables respetan el medio-ambiente; de forma activa y pasiva, ayudan a mantenerlo
4
limpio y se reciclan en un alto porcentaje (50 70 %). El trabajo de taller del acero inoxidable es un arte tecnológico que requiere competencia y equipamiento especial a fin de mantener los elementos críticos dentro de unos límites especificados. Los aceros inoxidables contienen cantidades substanciales de elementos costosos como cromo, níquel, molibdeno, etc., que justifican su alto coste, de aproximadamente cinco veces el del acero al carbono. Sin embargo, los costes de material representan sólo una parte del coste total de una estructura. Un buen proyecto aprovechará las propiedades de los aceros inoxidables y el resultado de ello será una solución efectiva en cuanto a costes, lo cual podrá demostrarse mediante cálculos de costes de ciclo vital. En un enfoque actualizado del diseño se consideran los efectos del mantenimiento, las reparaciones periódicas, las sustituciones y inmovilizaciones, además de los aspectos medioambientales. El resultado de una estructura de acero inoxidable diseñada sobre la base de un proyecto en acero al carbono será casi seguro una solución insatisfactoria.
HISTORIA 2.
HISTORIA
Desde hace unos 200 años se sabe que cantidades pequeñas de cromo aleadas al acero común mejoran su resistencia a la corrosión en el aire y en el agua y que si se incrementan las cantidades de cromo, dicha resistencia aumenta. Estas investigaciones fueron realizadas en 1821 por Berthier (1) en Francia. Sin embargo, estos conocimientos no podían utilizarse en la fabricación de acero debido a las limitaciones tecnológicas. En aquel momento resultaba imposible reducir el alto contenido de carbono de las coladas a niveles suficientemente bajos o controlar el contenido de cromo. El contenido de cromo era siempre demasiado bajo o demasiado alto. Un alto contenido de carbono y/o cromo producía aleaciones frágiles y un bajo contenido de cromo producía una resistencia a la corrosión insuficiente. Con el cambio de siglo, muchos investigadores trabajaron con estas aleaciones y publicaron sus trabajos. Goldschmidt (1), en Alemania, descubrió un método de producir ferro-cromo con un contenido muy bajo de carbono. Sobre la base de este descubrimiento, entre 1904 y 1909, A. Portevien y L. Guillet en Francia y W. Giesen en Alemania publicaron los resultados de sus investigaciones en aceros al cromo martensíticos al 13% y ferríticos al 17%. En 1909 L. Guillet presentó un estudio sobre
aceros de cromo-níquel con una estructura austenítica. Estas aleaciones ya eran similares a las actuales y a las tres principales familias metalúrgicas de los aceros inoxidables, esto es, los aceros martensíticos (endurecibles mediante tratamiento térmico), los ferríticos (no endurecibles) y los austeníticos (no endurecibles). Al mismo tiempo, P. Monnartz definía en Alemania el papel de la pasividad en la resistencia a la corrosión (1). Estas investigaciones se realizaban en laboratorios y, de 1910 a 1915, se llevaron a cabo intentos para desarrollar la producción práctica a gran escala de los aceros inoxidables. Este trabajo suponía fundir las aleaciones en cantidades mayores, convirtiendo los lingotes en formas semiacabadas y fabricando equipamiento a partir de éstas. Aunque había muchos investigadores empeñados en el desarrollo de los primeros aceros inoxidables, por lo general se considera que los mayores avances y contribuciones al arte se debieron a los siguientes metalúrgicos (1): • Brearly en Inglaterra, con los aceros martensíticos. • Dansitzen y Becket en EEUU, con los aceros ferríticos. • Maurer y Strauss en Alemania, con los aceros austeníticos.
5
3.
¿QUÉ ES EL ACERO INOXIDABLE?
El acero común se compone de hierro (Fe) con algunos otros elementos derivados de la fabricación del acero como el carbono (C), el manganeso (Mn), el silicio (Si), el fósforo (P) y el azufre (S). Un acero al carbono típico sin alear utilizado en la construcción tiene la siguiente composición química (en % del C
Mn
Si
P
S
Fe
0,17
0,60
0,25
0,045
0,045
> 98
peso): Si se añade un mínimo de 11% de cromo a este acero se obtiene un “acero inoxiC
Mn
Si
0,10
1,0
1,0
P
S
0,045 0,030
Cr
Fe
11
≤ 87
dable”. La composición química (de nuevo en % del peso) pasa entonces a ser: El hierro sigue siendo el elemento dominante, pero el añadido de cromo requiere también algunos cambios menores en el contenido de manganeso y silicio para facilitar la fabricación del acero, así como de fósforo y azufre. Estos dos últimos elementos son impurezas y tienen un efecto negativo en algunas de las propiedades del acero, como la resistencia a la corrosión y la soldabilidad. Un acero con un 11% de cromo representa la forma más simple de un acero inoxidable. Su resistencia a la corrosión es suficiente para resistir en un entorno acuoso poco severo. El añadido de cromo a un acero tiene como resultado la formación de una capa delgada, estanca, adherente y dúctil de óxido de cromo sobre la superficie del acero, siempre que éste se exponga al aire o a otro entorno oxidante. Puesto que esta capa confiere pasividad al acero, lo que significa que éste no se corroe de forma activa, se la denomina tam-
6
bién capa pasiva. Es la responsable de la capacidad del acero para resistir la corrosión. El espesor de esta capa muy fina es del orden de 1 - 10 mm (1 nanómetro = 10-9 m o 0,000001 mm). La capa pasiva no es inerte ni tiene una composición o espesor determinados e invariables, sino que depende de la composición del acero, del tratamiento que se le aplique a la superficie y del efecto corrosivo del ambiente al que se expone. Si se producen cambios en estas condiciones, la capa pasiva se adapta por si misma. También es posible que la capa pasiva resulte dañada por herramientas durante el trabajo de taller (fresado, rectificado, pulido, perforación, roscado) o por accidente. En condiciones normales (en presencia de aire) la capa pasiva se renueva por sí misma; es autorregenerable. Esta interesante capacidad del acero inoxidable tiene una gran importancia práctica, ya que no es necesario adoptar medidas especiales para renovar o reparar la capa resistente a la corrosión. Por su naturaleza, las pinturas que se aplican para la protección contra la corrosión de otros materiales no cubren totalmente las superficies y son susceptibles de resultar dañadas. Los daños en la pintura son generalmente el punto de inicio de la corrosión. La familia de los aceros inoxidables comprende un gran número de diferentes aleaciones. Cada una de ellas se desarrolló para satisfacer necesidades específicas como una mayor resistencia a la corrosión, una mejora de las propiedades mecánicas como la resistencia, dureza o ductilidad, estabilidad metalúrgica bajo la influencia del calor de la soldadura y, en casos especiales, la maquinabilidad. Puesto que todos estos aceros contienen al menos un 11% de cromo, todos están protegidos por la capa pasiva que se forma espontáneamente en la superficie. La designación de acero “antioxidante” o “inoxidable” se remonta a los primeros años del desarrollo metalúrgico. Significaba que aquellas nuevas aleaciones de acero no pre-
¿QUÉ ES EL ACERO INOXIDABLE? sentarían herrumbre ni se oxidarían al ser expuestas a la atmósfera o al agua. Esta designación se sigue utilizando ampliamente en la actualidad pero puede confundir al diseñador poco informado. No es correcta una interpretación mucho más amplia en el sentido
de que “los aceros inoxidables” son resistentes a cualquier entorno corrosivo que se pueda concebir. No obstante, si se tiene presente esta limitación, constituye una designación muy práctica para la descripción global de toda la familia de estos aceros.
7
4.
¿POR QUÉ UTILIZAR ACERO INOXIDABLE?
4.1 Razones Existen algunas razones importantes por las que se utilizan ampliamente los aceros inoxidables en estructuras. Estas razones son: • Excelente resistencia a la corrosión atmosférica • Estética • Aspectos higiénicos/limpieza • Resistencia térmica
Resistencia térmica Los aceros inoxidables son materiales resistentes al calor. superan a cualquier otro material estructural convencional en aplicaciones con presencia de fuego o altas temperaturas. Su uso está indicado en sistemas de emergencia en incendios, puertas corta-fuego, cerramientos, cajas de cables, chimeneas, etc. (Véase también el apartado 5.1).
4.2 Otras propiedades positivas del acero inoxidable Existen varias propiedades ventajosas que pueden utilizarse en ciertas aplicaciones:
Resistencia a la corrosión atmosférica y durabilidad
• resistencia
Los aceros inoxidables austeníticos tienen un largo historial de aplicaciones con éxito en la industria de la construcción. Su excelente resistencia a la corrosión es la razón principal de sus bajos costes de mantenimiento y su excelente durabilidad. Estas propiedades son cada vez más importantes en cualquier proyecto de construcción.
• facilidad de trabajo en taller
Estética La superficie de los aceros inoxidables puede obtenerse en numerosas clases diferentes tales como pulido especular, brillante con diferentes grados de rugosidad, cepillado, laminado en frío, arenado, texturado y coloreado en rollo. El acero inoxidable combina estéticamente con cualquier otro material sin dominarlo y manteniendo su elegancia intemporal, especialmente cuando se utilizan elementos esbeltos (pero fuertes). Aspectos Higiénicos y Limpieza El acero inoxidable tiene una superficie dura, lisa y uniforme totalmente apropiada para aplicaciones exigentes en las que la higiene y la limpieza son importantes. Por estas razones tiene muchos usos en hospitales, laboratorios, baños y piscinas.
8
• alta absorción de energía • costes de ciclo vital favorables • reciclaje y protección del medio-ambiente Resistencia Los aceros inoxidables tienen unas propiedades mecánicas muy interesantes que pueden modificarse dentro de límites amplios debido a su respuesta al trabajo en frío. Los proyectos en los que se hace un buen uso de las ventajosas propiedades mecánicas resultan eficientes en cuanto a costes. Alta absorción de energía Los aceros inoxidables austeníticos son tenaces y dúctiles, con el resultado de una deformación plástica excepcionalmente alta antes de la rotura. Estas propiedades pueden ser importantes en barreras de seguridad, paredes contra explosiones y estructuras antisísmicas de edificios. Facilidad de trabajo en taller Los aceros inoxidables pueden trabajarse en taller igual que los materiales metálicos convencionales. Se pueden cizallar, cortar, aserrar,
¿POR QUÉ UTILIZAR ACERO INOXIDABLE? doblar, estirar, conformar en rollo, perforar, desmenuzar, soldar, extruir, fresar y pulir. Costes de ciclo vital favorables Se ha comprobado a menudo que el uso de aceros inoxidables tiene como resultado costes de ciclo vital favorables en los que se tienen en cuenta todos los costes relacionados a lo largo de la vida útil prevista de una aplicación. Los cálculos de costes de ciclo vital son cada vez más importantes en vista de los altos costes de mantenimiento, paralizaciones, demolición y sustitución de equipos y piezas. En los cálculos de costes de ciclo vital se incluyen conceptos tales como los costes de instalación inicial, los costes de mantenimiento, los costes de las inmovilizaciones, los costes de reparación y sustitución, los intereses y el efecto de la inflación. Reciclaje y protección del medio-ambiente No es muy conocido el hecho de que el reciclaje del acero inoxidable ya ha experimenta-
do un alto grado de desarrollo. Dependiendo de las condiciones económicas, se recicla entre un 50% y un 80%, porcentaje que no se alcanza con la mayoría de los demás materiales. Una razón de este aspecto favorable es el hecho de que la chatarra de acero inoxidable es un bien valioso que se puede vender en cualquier momento. El reciclaje incluye el almacenamiento, el transporte y la manipulación en diferentes lugares. El acero inoxidable, debido a su resistencia a la corrosión, no tiene ningún efecto sobre el medio-ambiente, incluso si se deja expuesto a la intemperie durante años. El acero inoxidable desempeña asimismo un papel activo importante en la protección del medio-ambiente. Se utiliza ampliamente en los sistemas de escape de los vehículos y en los convertidores catalíticos, en las plantas de depuración de aguas residuales, chimeneas, depuración de humos y otras aplicaciones.
9
5.
TIPOS DE ACERO INOXIDABLE
Resulta práctico agrupar los numerosos aceros inoxidables diferentes de acuerdo con su estructura metalúrgica. Sobre esta base, pueden distinguirse los grupos siguientes: • Aceros inoxidables martensíticos • Aceros inoxidables ferríticos • Aceros inoxidables austeníticos • Aceros inoxidables austeníticos/ferríticos (Dúplex) • Aceros inoxidables de endurecimiento por precipitación
5.1 Aceros inoxidables austeníticos La resistencia a la corrosión favorable de los aceros inoxidables austeníticos debido a su contenido de cromo se combina con las propiedades mecánicas favorables (buena ductilidad y resistencia) y la buena soldabilidad debida a un cierto contenido de níquel (véase la figura 1). Los aceros inoxidables austeníticos contienen cromo (17%), níquel (8 - 17%) y tienen un bajo contenido de carbono (generalmente menos del 0,10%).
En la figura 1 se muestra una visión general gráfica de estos grupos en relación con el contenido de cromo y níquel.
Pueden contener otros elementos como molibdeno (2 - 6%), titanio o niobio a fin de estabilizar la estructura, así como azufre, que se añade para mejorar la maquinabilidad.
En aplicaciones estructurales predomina el uso de las clases austeníticas.
La composición química de un acero inoxidable austenítico típico es: C ≤ 0,10% Cr = 16,5 - 18,5% Ni = 10,5 - 13,5% Mo = 2,0 - 2,5% Ti ≥ 5 x % C Los aceros inoxidables austeníticos en su estado más resistente a la corrosión (recocido por solubilización) no son magnéticos. Para una mayor resistencia pueden trabajarse en frío mediante laminación, plegado, prensado, etc., lo que puede hacerlos ligeramente magnéticos. Son fácilmente soldables.
Figura 1 Tipos de acero inoxidable
10
Sus aplicaciones típicas son en arquitectura, cubiertas, piezas de unión, procesamiento de alimentos, industria química y farmacéutica, hospitales, usos médicos, transporte, vivienda, chimeneas, industria papelera,
TIPOS DE ACERO INOXIDABLE Mínimo 0,2 % límite elástico [N/mm2]
Material
*1.4301 1.4541 1.4401 1.4571
**X 5 CrNi 18 10 X 6 CrNiTi 18 10 X 5 CrNiMo 17 12 2 X 6 CrNiMo 17 12 2
Recocido por solubilización
1.4301 K 700
X 5 CrNi 18 10 K 700
350
1.4541 K 700
X 6 CrNiTi 18 10 K 700
350
1.4401 K 700
X 5 CrNiMo 17 12 2 K 700
1.4571 K 700
X 6 XrNiMo 17 12 2 K 700
Conformado en frío según nivel de resistencia indicado
195 200 205 210
350
350
** Sistema de número de material * Sistema abreviado de designación. Tabla 1. Las propiedades materiales del acero inoxidable austenítico, DIN
instalaciones nucleares, cajas y correas de relojes, etc. El proceso de trabajo en frío influye en gran medida en el comportamiento mecánico del acero inoxidable austenítico. En la tabla 1 se facilitan datos de los aceros típicos y en la figura 2 se muestra un diagrama de tensiones-deformaciones. Se muestra asimismo la diferencia significativa del módulo de Young.
5.2 Otras Aleaciones Inoxidables De acuerdo con sus propiedades específicas, se utilizan varios aceros inoxidables en aplicaciones especiales. En algunos casos pueden también utilizarse en estructuras de edificios. Éstos aceros son: • aceros inoxidables martensíticos • aceros inoxidables ferríticos
• aceros inoxidables austeníticos/ferríticos • aceros inoxidables de endurecimiento por precipitación Aceros inoxidables martensíticos Este acero contiene entre un 12% y un 18% de cromo y entre un 0,12% y un 0,9% de carbono. Debido a la presencia de mayores contenidos de carbono, pueden endurecerse. Algunos de estos aceros contienen cantidades modestas de níquel (hasta 2,5%) y molibdeno (hasta 0,6%) para mejorar su resistencia a la corrosión. También se pueden añadir otros elementos como titanio, vanadio y niobio. Un alto contenido de carbono reduce la resistencia a la corrosión. Los aceros inoxidables martensíticos son magnéticos y, por regla general, no se sueldan. Típicamente se utilizan en ingeniería mecánica para ejes de bombas, válvulas, matri-
11
Tensión (N/mm2)
Los aceros ferríticos son magnéticos. Con las debidas precauciones pueden soldarse. Se utilizan típicamente en sistemas de escape de vehículos, contenedores, depósitos de agua caliente, lava vajillas, lavadoras, utensilios de cocina. Aceros inoxidables austeníticos/ferríticos (Aceros dúplex)
Los aceros inoxidables dúplex tienen un alto contenido de cromo (20 - 25%), un bajo contenido de níquel (5-9%), un contenido variable de molibdeno (0,2-3%) y un bajo contenido de carboFigura 2 Relación entre tensión y deformación unitaria en aceros ordinarios e inoxidables no (menos de 0,06%). Contienen nitrógeno en cantidades de 0,07-0,20% para incrementar la ces, palas de turbinas y cojinetes de rodillos. resistencia y estabilizar la doble estructura, y a Otra área de aplicación es la vivienda y las hojas veces hasta un 2,5% de cobre. de cuchillas industriales. Aceros inoxidables ferríticos Los aceros inoxidables ferríticos contienen entre un 12% y un 18% de cromo, al igual que los aceros inoxidables martensíticos, pero por lo general su contenido de carbono es inferior al 0,08%, aunque en ocasiones puede ser de hasta un 0,15%. Existen aceros ferríticos especiales con un contenido de cromo de hasta un 29%. Estos aceros pueden contener otros elementos tales como molibdeno (hasta 1,2%), titanio o niobio (estos dos elementos se utilizan para estabilizar su estructura) y azufre, que se añade para mejorar la maquinabilidad. Para obtener una mayor resistencia se añade nitrógeno en cantidades pequeñas, entre un 0,10% y un 0,30%.
12
Los aceros inoxidables dúplex son magnéticos y se pueden soldar con las debidas precauciones. Se utilizan típicamente en las industrias papelera, química, petrolífera y de la construcción. Aceros inoxidables de endurecimiento por precipitación Los aceros inoxidables austeníticos recocidos por solubilización tienen un límite elástico muy modesto de 0,2%. Por otra parte, su resistencia a la corrosión y ductilidad (dureza) son máximas. En los últimos 50 años ha habido muchos intentos de combinar una alta resistencia mecánica con una buena resistencia a la corrosión. El compromiso entre estas propiedades opuestas ha dado como resultado varios aceros inoxidables de endureci-
Tensión de fluencia (N/mm2)
TIPOS DE ACERO INOXIDABLE
Figura 3 Relación entre tensión de fluencia y temperatura
miento por precipitación. Sin embargo, la selección de una aleación apropiada para una aplicación determinada requiere una gran experiencia por parte del productor y del usuario. Las altas propiedades mecánicas se obtienen mediante un tratamiento térmico
estrechamente controlado que produce un incremento de la dureza, un mayor límite elástico y una mayor resistencia a la rotura por tracción, así como una mayor resistencia a la fatiga. Los aceros inoxidables martensíticos y semiausteníticos de endurecimiento por precipitación son magnéticos. Los aceros austeníticos no son magnéticos. Los aceros inoxidables de endurecimiento por precipitación se pueden soldar siempre que se utilicen los procedimientos adecuados. Las aleaciones con un alto contenido de fósforo son difíciles de soldar. Se utilizan típicamente en aplicaciones aeronáuticas y espaciales, piezas de turbinas, motores y compresores, muelles resistentes a la corrosión, misiles, recipientes a presión y piezas sometidas a grandes esfuerzos en instalaciones de investigación.
13
6.
C = Alto en carbono
DESIGNACIÓN DE LOS ACEROS INOXIDABLES
B = Más bajo en carbono que C A = Más bajo en carbono que B
Existen varias alternativas para designar a los aceros inoxidables. Se mencionan aquí porque se las encuentra a menudo en las descripciones técnicas.
6.1 Sistema Descriptivo Este sistema emplea los elementos añadidos a los aceros. Resulta complicado con los aceros más aleados, ya que las designaciones se hacen largas. Se hace referencia a los elementos en orden descendente del peso contenido. Así pues, tenemos: • Aceros inoxidables al cromo • Aceros inoxidables al cromo-níquel • Aceros inoxidables al cromo-níquel-molibdeno
F = Maquinado libre (alto contenido de azufre) Cb = Colombio = Niobio Nb Así pues, acero inoxidable 304LN significa que es un acero austenítico con bajo contenido de carbono (0,03% como máximo) y nitrógeno. Los contenidos nominales de cromo y níquel son 18 - 20% y 8 - 12% respectivamente. Las series 200 y 300 se reservan para los aceros austeníticos, la serie 400 para los aceros martensíticos y ferríticos y la serie 600 para los aceros de endurecimiento por precipitación. La composición química exacta y las propiedades de un acero deben consultarse en la norma. Algunas designaciones típicas son: Tipo 201: C
En el caso de un acero bajo en carbono o de un acero estabilizado con titanio, diríamos:
Mn = 5,5 - 7,5% Cr = 16 - 18%
• Acero inoxidable al cromo-níquel-molibdeno bajo en carbono.
Ni = 3,5 - 5,5%
• Acero inoxidable al cromo-níquel-titanio. La ventaja de este sistema es que incluso un lector no muy informado entiende fácilmente de qué clase de acero se trata. Para una descripción más exacta sería necesario añadir el contenido de cada elemento en % de peso.
6.2 Sistema AISI El sistema introducido por el American Iron and Steel Institute (AISI) se utiliza en general en todo el mundo. Define cada clase de acero con un número y, si es necesario, con una letra adicional. A continuación se indican algunos ejemplos: L = Bajo en carbono N = Nitrógeno Se = Selenio Ti = Titanio
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= 0,15% máximo
Tipo 304: C
= 0,08% máximo
Cr = 18 - 20% Ni = 8 - 10,5%
6.3 Sistema de Número de Material (Nº Werkstoff) Este sistema alemán se utiliza ampliamente también en otros países. Cada designación consiste en 5 números y los detalles de composición y las propiedades de los aceros deben consultarse en la norma. Por ejemplo, el número de material 1.4306 se considerará: El primer dígito es 1 e indica que es un acero. Los dos dígitos siguientes “43” significan “aceros químicamente resistentes sin molibdeno, niobio ni titanio”
DESIGNACIÓN DE LOS ACEROS INOXIDABLES Los dos últimos dígitos “06” definen la aleación exacta. Además de la designación “43”, existen también las siguientes: “40” sin molibdeno, niobio o titanio, con menos del 2,5% de níquel “41” con molibdeno, sin niobio ni titanio, con menos del 2,5% de níquel “44” sin molibdeno, sin niobio ni titanio, con más del 2,5% de níquel “45” con cobre, niobio o titanio, con más del 2,5% de níquel
Ni
significa níquel y 11 indica el contenido en %.
Un acero X 2 Cr Ni 18 11 corresponde al tipo AISI 304L y al número de material 1.4306.
6.5 Aplicación según las Normas En la actualidad las normas nacionales utilizan estos sistemas: Sistema AISI: – Normas Británicas (BSI) – Normas Japonesas (JIS)
Un acero con el número de material 1.4306 tiene la composición siguiente: C =
0,03% máximo
– Normas Italianas (UNI)
Cr =
18 - 20%
– Normas Alemanas (DIN)
Ni =
10 - 12,5%
– Normas Españolas (UNE)
Por lo tanto, corresponde al tipo de acero inoxidable AISI 304L, aunque el límite inferior de níquel es un 2% mayor.
6.4 Sistema abreviado de designación Este sistema se utiliza ampliamente en varias normas. Consiste en una serie de letras y números, como en los ejemplos siguientes: X 2 Cr Ni 18 11 X
significa que es un acero altamente aleado
2
indica el contenido de carbono en 1/100º de un porcentaje, por ejemplo, C = 0,02%
Cr
Sistema abreviado:
significa cromo y 18 es el contenido en %
– EURONORM – ISO/DR 2604/4 – Las Normas Francesas (AFNOR) utilizan letras diferentes pero números similares (X 2 Cr Ni 18 11 = Z 2 CN 18 10) Sistema de numeración: – Números de material alemanes – Normas suecas (SIS) – ISO/DR 683/13 y DR 2604/1-75 (Los sistemas de numeración sueco y de las normas ISO no se explican en esta lección) En vista de esta situación bastante confusa, se espera que en un futuro próximo prevalecerán sólo s2 sistemas: • EURONORM utilizando el sistema abreviado y • El Sistema Unificado de Numeración (UNS) basado en el sistema AISI.
15
7.
TRABAJO DE TALLER Y PRODUCTOS
7.1 Formas de los Productos Para aplicaciones especiales, muchas de las aleaciones de acero inoxidable están disponibles en forma de pieza colada o forjada. Las piezas más pequeñas pueden producirse por pulvimetalurgia pero, con diferencia, lo que más se utiliza son las formas siguientes de productos forjados que se encuentran disponibles:
miento térmico. Pueden obtenerse mayores niveles de resistencia mediante el trabajo en frío, por ejemplo laminación en frío, conformación en rodillo y plegado en prensa de embutido. Típicamente, un 15% de trabajo en frío duplica el límite elástico del 2%. Se puede encargar material conforme a niveles de resistencia especificados. El material trabajado en frío puede tener una resistencia a la corrosión ligeramente reducida. Para más detalles, consultar la lección 22.4, Trabajo de taller y montaje.
• Planchas, laminadas en caliente • Chapa, lámina y tira, laminadas en frío • Tubos sin juntas (sólo redondos) • Tubos soldados (redondos, cuadrados, rectangulares) • Barras, laminadas en caliente (redondas, cuadradas, rectangulares) • Barras, laminadas en frío (redondas, cuadradas, rectangulares) • Barras huecas, laminadas en caliente (redondas) • Ejes, estirados en frío o rectificados (redondos) • Barras y alambres, estirados en frío (redondos) • Barras para armadura de hormigón (planas/redondas) • Barras para armadura de hormigón (con aletas) • Redes para refuerzo de hormigón • Piezas de unión (tornillos, tuercas, arandelas, pernos de anclaje, etc.) • Las secciones están disponibles en forma de extrusión, pero resulta más económico conformarlas en frío en la prensa de embutir o mediante rodillo.
7.2 Trabajo en Frío La resistencia de los aceros inoxidables austeníticos no puede mejorarse mediante trata-
16
7.3 Soldabilidad Los aceros inoxidables austeníticos pueden soldarse con todos los métodos de soldadura conocidos, pero se aplican las restricciones de los demás grupos metalúrgicos. Cualquiera que sea la clase del acero inoxidable que se deba soldar, es necesario seleccionar el método más efectivo en cuanto a costes. Los aceros inoxidables para aplicaciones estructurales se seleccionan principalmente por sus propiedades de resistencia a la corrosión. Hay que asegurarse de que la soldadura se ajusta a las propiedades del material de base. Los aceros austeníticos pueden soldarse al acero al carbono estructural observando las debidas precauciones. Para más detalles, consultar la lección 22.4, Trabajo de taller y montaje.
7.4 Acabados Hay disponibles numerosos acabados para las superficies de las piezas de acero inoxidable, lo que proporciona al arquitecto/ingeniero una amplia gama de efectos. La chapa laminada en frío, la tira, los tubos y las barras pueden obtenerse con los acabados siguientes: • pulido especular
TRABAJO DE TALLER Y PRODUCTOS • brillante con diferentes grados de rugosidad, desde muy fina hasta basta • cepillado • mate (decapado o chorreado con grava) • bruto de laminación.
Además, puede obtenerse chapa en un gran número de superficies dibujadas y texturadas, producidas por laminación. Las superficies de acero inoxidable pueden colorearse mediante procesos especiales.
17
8.
TORNILLOS Y TUERCAS
Los tornillos, bulones y tuercas fabricados con diferentes clases de acero inoxidable están agrupados en la norma ISO 3506 de acuerdo con las tres estructuras metalúrgicas siguientes: • (A) Piezas austeníticas • (F) Piezas ferríticas • (c) Piezas martensíticas Existen grupos de aceros que se identifican con las abreviaturas siguientes:
• 500 N/mm2 abreviado como “50”. El estado de la aleación es “dulce” tal como se obtiene por tratamiento de endurecimiento por precipitación, con el resultado de una mayor resistencia a la corrosión. • 700 N/mm2 abreviado como “70”. El estado de la aleación está moderadamente trabajado en frío y la resistencia a la corrosión puede reducirse en alguna medida. Esta clase de resistencia es estándar y corresponde a la clase comercial más común. Las existencias de los proveedores se basan en esta clase de resistencia y la selección disponible es la más amplia.
• A1, A2 y A4, aceros austeníticos • F1, aceros ferríticos • C1, C3 y C4, aceros martensíticos. Para aplicaciones estructurales sólo deben utilizarse A2 y A4, ya que el resto de los grupos tienen una menor resistencia a la corrosión. Los tornillos A2 y A4 pueden obtenerse en 3 grados de resistencia a la rotura por tracción:
• 800 N/mm2 abreviado como “80”. El estado de la aleación está altamente trabajado en frío y su resistencia a la corrosión puede reducirse en comparación con la clase de resistencia 70. Las posibilidades de suministro a partir de las existencias son reducidas. Tornillos
Clase del material
Clase
Propiedad clase
Gama de diámetro
Tensión a 0,2% deformación
Resistencia a la tracción1) fu
permanente1 fyb
(N/mm2)
(N/mm2) 50
≤ M39
210
500
A2, A4
70
M202)
≤ > M20 a ≤ M30
450 250
700 500
A2, A4
80
≤ M202)
600
800
A1, A2, A4 Austenítico
Nota: Valores especificados para mínimos. 1)
Todos los valores están calculados y relacionados con la sección transversal en tensión de la rosca.
2)
En las clases de propiedades 70 y 80, los valores deben convenirse con el montador para longitudes superiores a 8 diámetros o para tamaños mayores que M30 y M20 respectivamente. Tabla 2. Propiedades mecánicas de las piezas de unión fabricadas con aceros inoxidables austeníticos (ISO 3506)
18
TORNILLOS Y TUERCAS Identificación del montador A
2
–
70
Designación corta del material: A = Acero austenítico al cromo-níquel (molibdeno)
Designación corta del grupo de acero:
1 = Acero maquinable con azufre 2 = Acero al cromo-níquel 3 = Acero al cromo-níquel-molibdeno
Designación corta del grupo de resistencia:
50 = 500 N/mm2 70 = 700 N/mm2 80 = 800 N/mm2
Tabla 3. Marcado de tornillos y tuercas
En la tabla 2 se proporciona una visión general de las propiedades mecánicas de estos tornillos. Las tuercas sin indicación de una clase de resistencia corresponden a la clase “80”, por ejemplo, la clase más alta. Las clases de resistencia de “70” y “50” sólo van marcadas en las tuercas si las pruebas de resistencia indican que no corresponden a la clase más alta. Sin excepción, los pernos deben tener roscas laminadas, ya que las roscas cortadas o
moleteadas tienen una mayor tendencia a rayarse, lo que puede reducir la resistencia de una unión. Los tornillos de acero inoxidable deben montarse siempre con un lubricante adecuado, ya que la resistencia a la fricción entre dos piezas de acero inoxidable es mucho mayor en comparación con la de los tornillos de acero al carbono. Las designaciones de los tornillos conforme a ISO 3506 (tornillos de cabeza hexagonal y de cabeza hueca) deben ir marcadas a partir del tamaño M5 y superiores, según la tabla 3.
19
9.
APLICACIONES TÍPICAS
5.
Construido en 1977
En la tabla 4 se relacionan las aplicaciones estructurales de los aceros inoxidables. A continuación se indican algunos ejemplos de aplicaciones importantes en las que se han utilizado productos de acero inoxidable. 1.
2.
Planetario, Stuttgart
Edificio de Chrysler, Nueva York
La cubierta, con un peso total de 870 toneladas, es soportada por una estructura tipo araña con 6 patas diseñadas como cerchas y hechas de tubos. Como material se escogió el tipo AISI 316.
Construido en 1926 - 1929
Arquitecto: Wilfred Beck-Erlang
Toda la aguja hasta la primera plataforma está cubierta de acero inoxidable tipo AISI 304. En 1961 se procedió a su limpieza y se comprobó que se encontraba en perfecto estado, a pesar de la agresividad de la atmósfera de Nueva York y la proximidad del mar.
Ingeniero de estructuras: Ing. Büro Pieckert Fotos: Beck-Erlang, Baacke. 6.
Detalle de uno de los 42 puntos de suspensión para la cubierta del planetario de la estructura descrita en el punto 5, más arriba.
Iglesia de Vimodrone, Italia Construida en 1990 - 1991
Planetario, Stuttgart
7.
Emparrillado del piso Emparrillado de piso antideslizante hecho de acero inoxidable tipo AISI 304 o 316 utilizado en las industrias química, farmacéutica, procesamiento de alimentos y bebidas y revestimientos de chapa.
La cubierta de la iglesia, una membrana de hormigón armado, está parcialmente soportada por dos péndolas de 70 mm de diámetro y 18 m de longitud. Como material se seleccionó acero inoxidable del tipo AISI 316N. 8.
Eurotunel
Arquitecto: Guglielmo Giani 720,000 segmentos prefabricados de hormigón para el revestimiento interior del túnel se dotaron de fijaciones de acero inoxidable tipo AISI 304 para su transporte, manipulación y colocación en el interior del túnel.
Ingenieros de estructuras: Antonio Migliacci y Danilo Campagna 3.
Iglesia de Vimodrone, Italia Fijación de una péndola a la cubierta de hormigón de la iglesia descrita en el punto 2, más arriba.
4.
Chimenea autoestable aislada construida en acero inoxidable
9.
Torre, Italia Torre para publicidad de 22 m de altura en Calbusera, en una zona industrial de Milán, Italia. La torre está recubierta con 500 m2 de chapas de acero inoxidable tipo AISI 316 de color azul oscuro.
Exterior: Tipo AISI 304 o 316 Interior: Tipo AISI 321, 316 o 317
20
Proyecto: Giovanni Baroni, Genghini y Massimo Pellacini
Gerardo
APLICACIONES TÍPICAS APLICACIÓN GENÉRICA
APLICACIÓN ESPECÍFICA
FORMAS PRODUCTOS
Estructuras reticulares
• • • •
puentes para peatones cerchas estructura trid. (cubiertas) mástiles transmisión energía
Secciones conformadas en frío, tubulares y secciones huecas
Estructuras revestidas
• • • • •
revestimiento de cubiertas y paredes revestimientos resistentes salas de control contenedores de transporte carrocerías de camiones/coches
Chapa y secciones laminadas en caliente
Estructuras columnares
• • • •
pilares de alumbrado mástil alto postes telefónicos chimeneas mobiliario urbano
Chapa o plancha conformada en frío, tubulares
Estructuras generales
• • • • • • • • • • • • •
cajas escalera/torres escalera pasarelas barandillas/balaustradas balcones pórticos elevados enrejado rejas giratorias cobertizos para autobuses accesorios de piscinas guías de ascensores exteriores silos/búnkers/rampas/tolvas componentes de climatización carriles de rodadura de talleres de pintura
Secciones conformadas en frío, chapa, tubulares y secciones huecas
Pórticos de edificios
• estructuras resistentes a seísmos
Secciones laminadas en caliente
Componetes preformados
• muros resistentes a explosiones • planchas de piso • cajas de cables • bocas ventilación con persiana • barras para lucernarios • pantallas térmicas • accesorios de edificios (angulares de estantes, dinteles, barra refuerzo, fijaciones, etc.).
Chapa, plancha, barra y extrusiones
Tabla 4. Relación de aplicaciones estructurales
21
10.
RESUMEN FINAL
1. Para aplicaciones estructurales predomina el uso de las clases austeníticas de acero inoxidable, aunque las clases Dúplex registrarán rápidos avances en un futuro próximo. 2. A pesar de unos costes iniciales más altos, las estructuras de acero inoxidable resultan a menudo la solución más económica. Esta economía puede demostrarse mediante cálculos de costes de ciclo de vida a medida que los propietarios de estructuras se van interesando en los costes totales durante toda la vida útil de las estructuras. 3. Las estructuras de acero inoxidable económicas deben diseñarse sobre la base de las propiedades específicas de los aceros inoxidables. 4. Los mayores niveles de resistencia que se obtienen mediante la conformación en frío permiten reducir costes. Además, no es necesario prever ningún margen para la corrosión o protección. 5. La ventaja dominante de los aceros inoxidables es su resistencia a la corrosión, como resultado de la cual no es necesario ningún sistema de protección, el mantenimiento es escaso o nulo a lo largo de toda la vida útil y se eliminan los costes e inconvenientes de las reparaciones, paralizaciones y sustituciones.
22
11.
BIBLIOGRAFÍA
1. Les Aciers Inoxydables (1990), Les éditions de physique, F-91944 Les Ulis/Cédex A/France, ISBN 2-86883-142-7. 2. AISI Publication No. 9014, Design Guidelines for the Selection and Use of Stainless Steel. 3. Eurocode 3, Part 1, Annex S - The use of stainless steels, Draft, April 1992. 4. Zulassung Nichtrostende Stähle, Institute für Bautechnik, Berlin, Feh. 1989.0
ESDEP TOMO 22 ACERO INOXIDABLE Lección 22.2: Comportamiento y Proyecto Estructurales
23
OBJETIVOS/CONTENIDO OBJETIVOS/CONTENIDO
RESUMEN
Comentar el comportamiento mecánico del acero inoxidable y examinar las diferencias que éste conlleva en el uso estructural de barras compuestas de acero inoxidable y acero al carbono. También se tratan otros factores que el proyectista debe considerar.
El proyectista de estructuras de acero inoxidable debe considerar atentamente la selección de la clase del material. Las clases austeníticas son apropiadas para la gran mayoría de las aplicaciones. Se hará un mayor uso de los perfiles en frío abiertos, y los componentes soldados, como perfiles laminados, pueden no estar disponibles o no resultar económicos. Las características no lineales y de endurecimiento del acero inoxidable requieren el uso de curvas de cálculo diferentes a las aplicables para el acero al carbono e introduce dificultades en el análisis plástico global. En comparación con las estructuras de acero al carbono, los criterios de servicio son más importantes con las estructuras de acero inoxidable.
CONOCIMIENTOS PREVIOS Lección 22.1: Introducción al Acero Inoxidable
LECCIONES AFINES Lección 22.3: Corrosión del Acero Inoxidable Lección 22.4: Fabricación
25
1.
INTRODUCCIÓN
El acero inoxidable se ha venido utilizando desde hace más de 50 años en la construcción, principalmente para fijaciones, métodos de unión y revestimiento. Algunas industrias como la nuclear, petroquímica, farmacéutica, papelera y minera imponen a los materiales unas exigencias más estrictas que las que se cumplen en la construcción común. Estas exigencias están relacionadas con la durabilidad y la resistencia a la corrosión. En muchos casos, el acero inoxidable puede suponer una solución estructural libre de mantenimiento y eficaz en relación a los costes. El acero inoxidable puede asimismo proporcionar unas propiedades excepcionales de ductilidad, resistencia al fuego y no magnetismo que pueden ser necesarias en circunstancias particulares. Además de estas ventajas, el acero inoxidable puede dar unas superficies extremadamente limpiables e higiénicas. Por lo tanto, encuentra un amplio campo de aplicación en el procesamiento y elaboración de alimentos y en el área sanitaria.
26
El acero inoxidable se utiliza, pues, como material de construcción y a menudo debe resistir cargas considerables. Es importante tener presente que la verificación de una estructura de acero inoxidable requiere comprobaciones similares a las que se realizan para las estructuras de acero al carbono. Sin embargo, debido a las diferentes características materiales entre el acero inoxidable y el acero al carbono, las curvas de cálculo y las formulaciones aplicables a cada material difieren. En este punto cabe señalar que un esfuerzo mayor en el proyecto puede normalmente justificarse para el acero inoxidable debido al mayor coste inicial de la materia prima. Esto se aplica al proyecto de componentes (es decir, barras y uniones) y, en el caso de estructuras en las que la estética es importante, a la planificación inicial para reducir costosas operaciones de acabado. Por ejemplo, en el caso del pasamanos de una barandilla, el hecho de ocultar las uniones a tope del pasamanos en las barras montantes reduce considerablemente las operaciones de soldadura y se obtiene un producto final muy mejorado.
CONSIDERACIONES PRELIMINARES 2.
CONSIDERACIONES PRELIMINARES
2.1 Generalidades Para el proyectista que no está familiarizado con el acero inoxidable [1], existen algunas dificultades para su elección adecuada, por lo que debe tenerse en cuenta lo siguiente: i. Aparentemente existe una cantidad desconcertante de clases de acero inoxidable para escoger y pueden surgir confusiones adicionales por la existencia de varios sistemas diferentes de designación vigentes en la actualidad. En la lección 22.1 se comentan estos sistemas de designación y sus variantes. ii. Existe la creencia errónea de que el acero inoxidable no sufre corrosión, mientras que, en ciertas circunstancias adversas pude, de hecho, presentar coloración superficial o incluso un ataque más grave. Este comportamiento pone de relieve la necesidad de seleccionar una clase apropiada de acero inoxidable. iii. La gama de perfiles de acero inoxidable producidos por laminación es menor que la del acero al carbono, en particular para las clases de acero inoxidable que se especifican con menor frecuencia. iv. Comparado con el acero al carbono, los esfuerzos del proyectista con el acero inoxidable se apoyan en mayor medida en el éxito de las operaciones de trabajo de taller y, en definitiva, de si la estructura puede construirse. En particular, esta consideración se aplica a las barras y estructuras realizadas por soldadura.
2.2 Selección de la Clase del Material De los diversos grupos de acero inoxidable (véase la lección 22.1) los más útiles para la construcción son los aceros austeníticos. Estos aceros inoxidables ofrecen la mejor combinación de pro-
tección ante la corrosión, resistencia, conformabilidad, soldabilidad y economía. En ciertas circunstancias pueden considerarse los aceros dúplex más altamente aleados, con su resistencia y su protección ante la corrosión superiores, o los aceros ferríticos, más económicos pero con menor resistencia a la corrosión. Para seleccionar la clase de acero inoxidable más apropiada debe tenerse en cuenta lo siguiente: a. el entorno de la aplicación y el grado de resistencia a la corrosión requerido. b. la forma del trabajo de taller. c. el acabado superficial. d. la resistencia. e. la disponibilidad de productos. f. la economía.
2.3 Disponibilidad de Formas Estructurales El proyectista debe ser consciente de que no todas las formas estructurales se encuentran disponibles en todas las diferentes clases de acero inoxidable. En particular, esto se aplica a perfiles con los que puede resultar imposible obtener, por ejemplo, una viga en I, en las clases utilizadas con menor frecuencia. A continuación se da una breve visión general de la disponibilidad de productos. Chapas y Planchas Estos productos están ampliamente disponibles en todas las clases. No obstante, pueden existir restricciones en clases particulares de alta resistencia (como las clases dúplex) en espesores muy finos debido, a la dificultad de laminación en frío. Los productos de chapa y plancha son el punto de partida para las formas conformadas en frío o soldadas. Productos Tubulares Existe disponible una amplia variedad de productos tubulares estirados y soldados en cla-
27
Barras
lares de hasta 50 mm x 50 mm x 3 mm) y solamente en una gama pequeña de calidades. Estos productos tienen unas propiedades de límite elástico muy altas debido al endurecimiento impartido durante el proceso de estiramiento.
Estos productos están ampliamente disponibles.
Productos Laminados en Frío/Curvados en Frío
Extrusiones en Caliente
Estos productos se utilizan normalmente como perfiles estructurales y se suministran en todas las clases. Generalmente son más económicos que los perfiles producidos en caliente, los perfiles estirados en frío o los perfiles trabajados en taller mediante soldadura. No obstante, puesto que el trabajo del acero inoxidable lo endurece considerablemente, las cargas de conformación son mayores (aproximadamente un 50% en el caso de los aceros austeníticos) que las de los perfiles de acero al carbono geométricamente equivalentes. Como resultado de ello, las longitudes de perfiles de acero inoxidable que se pueden curvar en frío son menores. A ello se une la capacidad de las plegadoras. Por lo tanto, salvo en estructuras pequeñas, existe una tendencia a utilizar más las uniones a tope en el acero inoxidable que en el acero al carbono. El proyectista debe coordinar con el montador el establecimiento de posibles limitaciones de longitud en una fase temprana del proyecto.
ses especificadas frecuentemente, por ejemplo 304, 316, 304L y 316L, así como en clases que se utilizan a menudo en tuberías, por ejemplo algunas clases dúplex.
Las extrusiones en caliente puede resultar adecuadas para de grandes volúmenes de perfiles de sección transversal compleja, por ejemplo perfiles para acristalamiento. Debe buscarse más información. Productos Laminados en Caliente Existen para las clases más comunes, hasta unas dimensiones máximas (altura o anchura) de aproximadamente 300 mm. En algunos países europeos estos productos resultan difíciles de obtener o son muy caros en comparación con sus equivalentes trabajados en taller (conformados en frío o soldados). Productos Estirados en Frío En la actualidad sólo están disponibles en tamaños muy pequeños, por ejemplo angu-
28
COMPORTAMIENTO MECÁNICO 3.
COMPORTAMIENTO MECÁNICO
siempre) más no lineales a tracción que a compresión. Este comportamiento no se produce necesariamente en materiales que han sido trabajados en frío.
3.1 Relaciones Tensión/Deformación
c. Anisotropía
3.1.1 Comportamiento tensión-deformación básico
Excepto quizá en el estado recocido, el acero inoxidable presenta diferencias de comportamiento tensión-deformación en probetas de tracción alineadas paralela y transversalmente a la dirección de laminado, es decir, es anisotrópico. En las clases austeníticas, la resistencia de una probeta de tracción transversal tiende a ser menor que la de una probeta de tracción longitudinal. Esta observación está reconocida en los reglamentos nacionales e internacionales en los que normalmente se especifican probetas de tracción transversales para ensayos de demostración.
El comportamiento tensión/deformación del acero inoxidable difiere del acero al carbono en varios aspectos: a. No linealidad La diferencia más importante entre el acero inoxidable y el acero al carbono es la forma del diagrama tensión-deformación. Mientras que el acero al carbono presenta típicamente un comportamiento elástico lineal hasta el límite de fluencia y una meseta antes de alcanzar el endurecimiento por deformación, el acero inoxidable presenta una respuesta más redondeada, sin un límite de fluencia bien definido (véase la figura 1). Por lo tanto, los límites “de fluencia” del acero inoxidable se indican generalmente en términos de una resistencia de prueba definida para una deformación permanente desfasada particular (convencionalmente la deformación 0,2%), tal como se muestra en la figura 1.
Así pues, cuando se considera la no linealidad, la asimetría y la anisotropía, una descripción plena del comportamiento del material se caracteriza por cuatro diagramas tensión-deformación. σ
b. Asimetría del comportamiento a tracción y a compresión. El acero inoxidable puede presentar un comportamiento de tensión-deformación muy diferente a tracción y a compresión. En el estado recocido, los diagramas tensión-deformación tienden a ser (aunque no
ε
Figura 1 Curvas de tensión-deformación unitaria
29
3.1.2 Factores que afectan al comportamiento tensión-deformación
bono, el acero inoxidable está sujeto a deformación de fluencia a temperatura ambiente [2]. En la figura 3 se muestran algunos resultados para el material 304. Esta faceta del comportamiento puede convertirse en una consideración para el proyecto solamente cuando se aplican altos niveles de carga (es decir, cercanos al límite previsto) durante periodos largos (medidos en meses y años). La fluencia puede manifestarse por una mayor flecha en las vigas. Si la flecha a largo plazo es un problema, se recomienda restringir las tensiones de servicio producto de cargas a largo plazo 0,6 σ0,2 siendo σ0,2 la tensión de prueba 0,2% real del material. Debe señalarse que los materiales austeníticos reforzados mediante el añadido de nitrógeno son más susceptibles a la fluencia a temperatura ambiente cuando están sometidos a carga en la misma proporción que su límite de fluencia.
a. Velocidad de la deformación Los aceros inoxidables tienden a ser más sensibles a un cambio en la velocidad de ensayo que los aceros al carbono. En la figura 2 se muestran algunos resultados para materiales 304L y 316L en velocidades de deformación rápidas. Generalmente un incremento de la velocidad de la deformación produce una mayor resistencia a la rotura y una menor ductilidad. b. Fluencia a temperatura ambiente Al igual que algunas otras aleaciones metálicas, aunque no el acero al car-
3.2
Trabajo en frío
Los aceros inoxidables austeníticos, en particular, desarrollan altas resistencias mecánicas cuando se trabajan en frío. Este comportamiento se debe en parte a la transformación parcial de la austenita en martensita. El grado de incremento de la resistencia se ve afectado por la composición química. Los elementos estabilizadores de la austenita como el níquel, el manganeso, el carbono y el nitrógeno tienden a reducir la tasa de incremento de la resistencia.
Figura 2 Efectos de la velocidad de la deformación unitaria en materiales 304L y 316L
30
En la figura 4 se muestran los efectos del trabajo en frío sobre la tensión de prueba al 0,2%, la resistencia a la rotura por tracción y el alargamiento de rotura para una pieza específica de 304. Relaciones similares se aplican a otros materiales austeníticos. A fin de mantener una ductilidad útil del 15%, la cantidad de trabajo en frío debe limitarse al 30% para las clases austeníticas.
COMPORTAMIENTO MECÁNICO 3.3 Efectos de la Temperatura Los aceros inoxidables austeníticos conservan una robustez notable en un amplio campo de temperaturas; se utilizan, por demás, para el almacenamiento de líquidos criogénicos.
σ σ Figura 3 Alargamiento por fluencia entre tensión normalizada
Los aceros inoxidables se comportan mejor que el acero al carbono en condiciones de incendio. En la figura 5 se compara el límite de fluencia (o prueba al 0,5%) normalizado, con respecto a los valores de temperatura ambiente, de dos clases de acero inoxidable austenítico y un acero al carbono, en función de la temperatura. Algunas clases de acero inoxidable se han formulado específicamente para una exposición prolongada a temperaturas elevadas y se utilizan, por ejemplo, en recubrimientos de chimeneas.
Durante el trabajo de taller, por ejemplo en la conformación en frío de esquinas de perfiles, puede surgir un trabajo en frío localizado considerable. Se han realizado estudios para determinar fórmulas para la estimación del incremento de la resistencia, pero todavía no han avanzado lo suficiente como para producir una propuesta de proyecto. En general, la anisotropía y la asimetría se incrementan con el trabajo en frío. Es importante recordar que la soldadura o algunos tratamientos térmicos recuecen, o lo hacen parcialmente, el material trabajado en frío, con la consecuente pérdida del incremento de la resistencia.
Figura 4 Efecto del trabajo en frío sobre un material 304
31
3.4 Otras Propiedades Densidad La mayoría de los aceros inoxidables tienen una masa específica de 7800 a 8000 kg/m3. Dilatación Térmica Los aceros inoxidables ferríticos tienen un coeficiente de la dilatación térmica aproximadamente igual al del Figura 5 Efecto de la temperatura sobre la resistencia a la fluencia (carga de prueba al 0,5%) acero al carbono. No obstante, los aceros inoxidables austeníticos presentan valores algo dos y, junto con una mayor dilatación térmica, causa una mayor tensión residual y deformación mayores, hasta aproximadamente un 50% supede soldadura (véase el apartado 4.3). riores a los del acero al carbono. Los efectos de la dilatación/contracción térmica diferenciales deben Propiedades Magnéticas tenerse en cuenta en el proyecto. Conductividad Térmica El acero inoxidable tiene un coeficiente de conductividad térmica de aproximadamente un tercio que el del acero al carbono. Obsérvese que esta baja conductividad conduce a gradientes térmicos más pronuncia-
32
Los aceros inoxidables austeníticos tienen una permeabilidad magnética baja. El trabajo en frío pesado, particularmente en el acero austenítico aleado pobre, puede incrementar la permeabilidad magnética; el recocido subsiguiente restaura las propiedades no magnéticas. Se recomienda obtener asesoramiento especializado para aplicaciones no magnéticas.
COMPORTAMIENTO Y PROYECTO… 4.
COMPORTAMIENTO Y PROYECTO DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES
pandeo de barras, resulta útil considerar diagramas tensión-deformación idealizados. Una idealización útil es la propuesta por Ramberg y Osgood.
4.1 Generalidades
δ ε = + 0, 002 E
δ fy
n
4.1.1 Cálculo elástico o plástico
(1)
donde: Se recomienda el análisis global elástico para estabilizar las fuerzas y momentos en las barras. Aunque en principio el análisis global plástico podría utilizarse, existen actualmente algunas dificultades que deben tratarse en el cálculo. Estas dificultades están asociadas a las propiedades de endurecimiento por deformación del acero inoxidable y, en particular, las características de momento-rotación de una rótula plástica de acero inoxidable, que del mismo modo presenta un comportamiento de endurecimiento. En la formación de un mecanismo plástico, las rótulas plásticas deben experimentar varios grados de rotación. Así, los momentos en las rótulas están por encima del momento plástico nominal (módulo plástico por la tensión de prueba al 0,2%) en cantidades variables dependiendo de los grados de rotación. Por lo tanto, el cálculo de la distribución de momentos en torno a un pórtico implicaría consideraciones cinemáticas. En la figura 6 se muestra el sencillo ejemplo de una viga fijada en un extremo, sujeta a una carga puntual a un cuarto del vano. Los momentos en la viga de acero inoxidable son algo indeterminados y dependen de la característica de momento-rotación. Las uniones deberían resistir cualquier momento adicional.
ε
es la deformación
δ
es la tensión
fy
es el límite de fluencia (prueba 0,2%)
E
es el módulo de Young
θ
θ
θ
θ θ
θ
θ
4.1.2 Efecto de la no linealidad del material Para describir el efecto de la no linealidad del material en la resistencia al
Figura 6 Desarrollo de momentos en una viga empotrada
33
n
es un índice que caracteriza el grado de no linealidad. Un bajo valor de n da una curva muy redondeada, mientras que un valor alto da curvas que se aproximan a la relación bilineal elástica-perfectamente plástica del acero al carbono, (véase la figura 7).
la cual puede esperarse un comportamiento similar depende del límite de proporcionalidad y, por lo tanto, del coeficiente n en la representación de Ramberg-Osgood del diagrama de tensión-deformación. Esta dependencia puede observarse en la figura 8.
En términos generales, el efecto de la no linealidad (medido por el índice n) en el pandeo de una barra depende de la esbeltez de la barra tal como se describe más abajo. En la figura 8 se muestra gráficamente el efecto que más adelante se determina matemáticamente. Existen tres zonas de esbeltez de la barra:
ii. En esbeltez baja, es decir, cuando las barras alcanzan o sobrepasan la resistencia plástica, se manifiestan las ventajas del endurecimiento por deformación. Para una esbeltez muy baja, los materiales con mayores tasas de endurecimiento, es decir, los materiales con coeficientes n bajos, dan una mayor resistencia de la barra que los materiales que tienen un coeficiente n alto, en particular los aceros al carbono. Este efecto puede observarse también en la figura 8.
i. Esbeltez alta, es decir, cuando la resistencia al pandeo es baja, las tensiones en la barra de acero inoxidable son suficientemente pequeñas de modo que caen en la parte lineal del diagrama tensión-deformación. En este campo se pueden esperar pocas diferencias entre las resistencias del las barras de acero inoxidable y las de acero al carbono, suponiendo niveles similares de imperfecciones geométricas y de tensión residual. La esbeltez límite más allá de
ε
σ ε
iii. En una esbeltez intermedia, es decir, cuando la tensión media en el pilar se sitúa entre el límite de proporcionalidad y la resistencia de prueba 0,2%, el acero inoxidable es más "blando" que el acero al carbono. Esto conduce a reducir las resistencias de las barras de acero inoxidable en comparación a barras similares de acero al carbono.
σ σ
Figura 7 Diagramas de tensión-deformación unitaria en la representación propuesta por Ramberg y Osgood
34
Al considerar la inestabilidad causada por el pandeo de la barra, se hace referencia al enfoque del módulo tangente. Este enfoque se adopta en el reglamento estadounidense para el acero inoxidable conformado en frío [3]. El enfoque se basa en sustituir el módulo de Young E (en las disposiciones para el pan-
COMPORTAMIENTO Y PROYECTO… deo del acero al carbono) por el módulo tangente Et correspondiente a la tensión de pandeo en la barra de acero inoxidable. Puesto que Et varía con la tensión y la tensión de pandeo va en función de Et, el enfoque requiere generalmente iteraciones para hallar la tensión de pandeo.
donde el subíndice c se refiere al acero al carbono, la curva de Euler pasa a ser:
Una línea de cálculo efectiva puede derivarse mediante el enfoque del módulo tangente, en el que las necesarias iteraciones ya han sido realizadas. La derivación puede demostrarse mejor mediante un ejemplo.
fE = π 2Et / (l / i)
Supongamos que se necesita hallar la curva del acero inoxidable correspondiente a la tensión de pandeo de Euler fE para pilares de acero al carbono. Para el acero al carbono (y cualquier material elástico lineal): fE = π 2E / (l / i)
χ c = 1 / λ2c Para el acero inoxidable, E se sustituye por el módulo tangente Et:
χs =
2
1 Et = λ2S λ2c E 1
Utilizando la relación Ramberg-Osgood para describir el diagrama de tensión-deformación (ecuación (1)), el módulo tangente puede derivarse como:
1 0, 002 n f df Et = = + f dε fy y E
2
n − 1 −1
Definiendo parámetros no dimensionales: y por tanto χ c = fE /fy y λ c =
l/i π
fy E
Et nE f = 1 + 0, 002 E fy fy
χ
n − 1 −1
Pero, en pandeo (f/fy) = χs y así 1 nE n −1 χ s = 2 1 + 0, 002 χ fy S λ c
−1
En general, para cualquier función dada χ s = f( λ c ) , es neceλ
Figura 8 Efecto del índice de Ramberg y Osgood n sobre el pandeo
π
sario un enfoque iterativo para resolver la ecuación obtenida en esta fase, ya que χs aparece en ambos lados. En este caso la fun-
35
ción original del acero al carbono es lo suficientemente simple para permitir una solución directa, reordenando: nE n λ c = χ + 0, 002 χ S fy S
−1 / 2
4.2
Clasificación y Abolladura
4.2.1 Clasificación
Obsérvese que puede generarse una – familia de curvas que relacionan λc y χs para cada valor de n dependiendo del ratio de E/fy. En la figura 8 se comparan algunos ejemplos de curvas con la curva original de Euler (para acero al carbono). Todo lo que debe hacer el – proyectista es calcular λ utilizando el valor inicial del módulo (de Young) y seguidamente hallar χ directamente utilizando la curva apropiada. Como puede verse, las curvas con un valor más bajo de n, lo que implica un límite de proporcionalidad menor, se desvían de la curva del acero al carbono en tensiones menores que las curvas asociadas con un mayor valor de n. No obstante, a tensiones superiores a 0,9 fy, las curvas con un bajo valor de n quedan por encima de las que tienen un valor alto de n; esto viene del hecho de que el módulo tangente del material con un bajo valor de n es mayor que el del material con un alto valor de n en σ este campo de tensiones. Puede observarse que un diagrama de tensión/deformación de un acero al carbono puede aproximarse mucho mediante valores de n muy altos (digamos > 30), en cuyo caso la curva de Euler se transforma en una meseta horizontal en fluencia.
La clasificación de las secciones transversales de acuerdo con su capacidad para resistir la abolladura y para soportar carga con deformación ha demostrado ser un concepto útil para el proyecto de barras de acero al carbono. Se reconocen cuatro clasificaciones: Clase 1: secciones transversales capaces de desarrollar el momento de resistencia plástica con capacidad de rotación. Clase 2: secciones transversales capaces de desarrollar el momento de resistencia plástica sin capacidad de rotación. Clase 3: secciones transversales capaces de desarrollar el momento de fluencia. Clase 4: secciones transversales incapaces de alcanzar el momento de fluencia debido a abolladura.
∞
El valor n debe estimarse en 6 para el acero inoxidable austenítico en dirección longitudinal. En dirección transversal se observan valores de n más altos. Los valores de E facilitados en normas de materiales se relacionan normalmente con el módulo de elasticidad inicial, (véase la figura 9). A efectos de ingeniería, en algunas normas se utilizan valores más bajos.
36
ε Figura 9 Relación tensión-deformación unitaria en acero inoxidable
COMPORTAMIENTO Y PROYECTO… La clasificación de una sección transversal depende del elemento de chapa más desfavorable dentro de dicha sección. El comportamiento en carga/acortamiento extremo de una barra depende de su esbeltez: λp =
b/t 28, 4 ε k σ
donde b/t es la proporción anchura/espesor de la chapa
4.2.2 Abolladura Al igual que con los elementos de acero al carbono, los efectos de la abolladura pueden preverse en el proyecto utilizando el enfoque de la anchura eficaz. Mientras que en el Eurocódigo 3 sólo se utiliza una formulación para el acero al carbono, el Eurocódigo 3 Anexo S [4] propone tres curvas de cálculo para el acero inoxidable tras una revisión de los datos disponibles:
( ) para todos los elementos internos como almas o alas acotadas beff / b = 1, 09 / ( λ p + 0, 45) por almas. beffpares / b = de 0, 83 / ( λ p + 0, 29) = 10,,10 b // b beff b = 83//((λλpp ++ 00,,51 29) = beff / b 1 , 09 / ( λ p + 0, 45)) eff para elementos externos beff / b =conformados 1, 09 / λ + 0,en 45frío. beff / b = 1, 10 /(( λpp + 0, 51)) beff / b = 1, 10 / ( λ p + 0, 51) para elementos beff / b = 0, 83 / λ p + 0, 29
1/ 2
235 E ε = ⋅ 210000 fy kσ es el coeficiente de pandeo.
En la tabla 1 se facilitan las proporciones anchura/espesor para la clasificación de elementos a compresión, conforme al Eurocódigo 3, anexo S [4]. Sin embargo, los datos numéricos para elementos de chapa (figura 10), indican que los materiales sujetos a endurecimiento por deformación presentan una característica de descarga de mayor meseta y menos pronunciada que los materiales no sujetos a deformación, como el acero al carbono. Así, si un elemento de acero al carbono puede clasificarse como elemento de Clase 1, un elemento de acero inoxidable con la misma esbeltez presenta una capacidad de deformación al menos igual y probablemente podrá clasificarse como Clase 1.
Existen dos diferencias principales entre el proyecto de barras de acero al carbono laminadas en caliente y barras de acero inoxidable:
Las proporciones limitadoras de los elementos de Clase 3 se encuentran a partir de la esbeltez con la cual la curva de abolladura alcanza justo la fluencia (véase más abajo). Estas proporciones son menores para el acero inoxidable que para el acero al carbono. Puede observarse que con los límites inferiores de la Clase 3, pero con los mismos límites de la Clase 1, existe un menor campo entre ambas clases para el acero inoxidable que para el acero al carbono. Existe incluso la posibilidad de que las Clases 1 y 2 puedan converger en una clase única para el acero inoxidable, aunque esta simplificación potencial queda para futuras investigaciones.
i. El efecto de la no linealidad del material significa que deben utilizarse curvas de cálculo ligeramente diferentes para el acero inoxidable. Este punto se ha comentado en términos cualitativos en el apartado 4.1.2. anterior. Para el pandeo por flexión de perfiles en frío, en el Eurocódigo 3 se recomienda una curva de cálculo más generosa para el acero inoxidable (véase la figura 12), que contiene asimismo datos experimentales. La alta resistencia en las esquinas conformadas en frío permite el uso de una curva más generosa. Por otra parte, los
externos soldados. En la figura 11 se muestran los datos experimentales y curvas de cálculo para elementos conformados en frío.
4.3 Proyecto de Pilares
37
Cuadro 1: Proporciones anchura/espesor máximas en elementos comprimidos
(Hoja 1)
a. Almas (elementos internos perpendiculares al eje de flexión) tf
d
h
d
d
tw
tw
tw
tw
Eje de flexión
d = h – 3t (t = tf = tw)
Clase
Alma sujeta a flexión
Alma sujeta a compresión
fy
Distribución de las tensiones en el elemento (compresión positiva)
Alma sujeta a compresión compuesta fy
fy
αd d h
d
h
d h
fy fy
fy
d/tw ≤ 56,0 ε
d/tw ≤ 25,7 ε
cuando α > 0,5:
d/tw ≤ 58,2 ε
d/tw ≤ 26,7 ε
cuando α > 0,5:
d/tw ≤ 308 ε/(13α-1) cuando α ≤ 0,5: d/tw ≤ 28 ε/α
1
d/tw ≤ 320 ε/(13α-1) cuando α ≤ 0,5: d/tw ≤ 29,1 ε/α
2
fy
Distribución de las tensiones en el elemento (compresión positiva)
d/2
fy
fy d h
h d/2
ψfy
fy
3
d/tw ≤ 74,8 ε
d h
d/tw ≤ 30,7 ε
d/tw ≤ 15,3 ε √kσ Para kσ ver Eurocódigo 3, cuadro 5.3.2
1/ 2
235 E ε = ⋅ 210000 fy
Clases según el capítulo (cuadro S.3.1 y S.3.2)
* ε valores para proyecto utilizando valores especificados (véase S.3.1.2 y S.3.1.3)
38
COMPORTAMIENTO Y PROYECTO… Cuadro 1: Proporciones anchura/espesor máximas en elementos comprimidos
(Hoja 2)
b. Elementos de ala interna: (Elementos internos paralelos al eje de flexión)
b tf b
Clase
tf
tf b
Tipo
b
tf
Eje de flexión
Sección en flexión
fy fy
Sección en compresión
f yf y
fy fy
f yf y
Distribución de las tensiones en el elemento y a través de la sección (compresión positiva)
1
Perfil Laminado Hueco Otros
b/t ≤ 25,7 ε b/t ≤ 25,7 ε
b/t ≤ 25,7 ε b/t ≤ 25,7 ε
2
Perfil La minado Hueco Otros
b/t ≤ 26,7 ε b/t ≤ 26,7 ε
b/t ≤ 26,7 ε b/t ≤ 26,7 ε
fy fy
f yf y fy fy
fy fy
f yf y
f yf y
Distribución de las tensiones en el elemento y a través de la sección (compresión positiva)
3
Perfil Laminado Hueco Otros
b/t ≤ 30,7 ε b/t ≤ 30,7 ε
b/t ≤ 30,7 ε b/t ≤ 30,7 ε
1/ 2
235 E ε = ⋅ 210000 fy
Clases según el capítulo (cuadro S.3.1 y S.3.2)
* ε valores para proyecto utilizando valores especificados (véase S.3.1.2 y S.3.1.3)
39
Cuadro 1: Proporciones anchura/espesor máximas en elementos comprimidos
(Hoja 3)
c. Alas exteriores: c
c
tf
tf
tf
c
tf
c
Perfiles soldados Ala sujeta a flexión compuesta Clase
Tipo de perfil
Ala sujeta a compresión Punta a compresión
Punta a tracción
αc
Distribución de las tensiones en el elemento (compresión posistiva)
1
Conformado en frío
Conformado
c c
Conformado en frío
Soldado
c / tf ≤
10 ε α
c / tf ≤
10 ε α α
c/tf ≤ 9,0 ε
c / tf ≤
9ε α
c / tf ≤
9ε α
c/tf ≤ 10,4 ε
c / tf ≤
10.4 ε α
c / tf ≤
10.4 ε α α
c/tf ≤ 9,4 ε
c / tf ≤
9.4 ε α
c / tf ≤
9.4 ε α α
Distribución de las tensiones en el elemento (compresión positiva
3
c
c/tf ≤ 10,0 ε
en caliente 2
αc
c
c
c
Conformado en frío
c/tf ≤ 11,9 ε
c/tf ≤ 18,1 ε √kσ
Soldado
c/tf ≤ 11,0 ε
c/tf ≤ 16,7 ε √kσ para véase el Eurocódigo 3, cuadro 5.3.3
1/ 2
235 E ε = ⋅ 210000 fy
40
COMPORTAMIENTO Y PROYECTO… Cuadro 1: Proporciones anchura/espesor máximas en elementos comprimidos d. Angulares
(Hoja 4)
h
t
Véase tambiés (c) Alas externas *(véase hoja 3)
(No se aplica a angulares en contacto contíguo con otros componentes
b t
Clase
Sección a compresión
fy fy
Distribución de las tensiones a través de la sección (compresión positiva) t
h/t ≤ 11,9 ε
3
;
(b + h)/2t ≤ 9,1 ε
1/ 2
235 E ε = ⋅ 210000 fy
pilares de acero inoxidable austenítico soldado deben proyectarse según una curva menor que la utilizada para el acero al carbono, debido a la mayor tensión residual por soldadura en el acero inoxidable, tal como se menciona en el apartado 3.4.
∞ λ
El coeficiente de reducción para prever el pandeo por flexión puede obtenerse como se especifica para el acero al car– bono, teniendo en cuenta α y λ0 o que se da en la tabla 2.
λ λ
ε
Figura 10 Comportamiento de carga/acortamiento en el extremo de elementos de chapa
ii. En el apartado 2.3 ya se ha observado que se hará un mayor uso de los perfiles en frío, siendo acero inoxidable, que si se tratara de acero al carbono. El proyectista, por lo tanto, deberá considerar más a menudo los modos de
41
pandeo que no sean el pandeo por flexión, es decir, el pandeo por torsión-flexión. La limitadas evidencias disponibles no sugieren que los pilares de acero inoxidable se comporten peor que los pilares de acero al carbono en estos modos de pandeo.
ρ
4.4 Proyecto de vigas λ ρ
λ
Figura 11 Curvas para pilares de acero inoxidable y acero al carbono con los datos de pilares de material 304
χ
Al igual que para los pilares, en el proyecto de vigas de acero inoxidable se utilizan comprobaciones similares a las utilizadas para las vigas de acero al carbono, pero para el acero inoxidable se utilizan curvas de pandeo diferentes. Así, para el pandeo lateral, debe utilizarse la curva de pandeo inferior siguiente a la del acero al carbono. Una de las mayores diferencias observadas entre el acero al carbono y el acero inoxidable se refiere al pandeo por cizallamiento del alma. En la figura 13 se ilustra las curvas de cálculo del Eurocódigo 3 para el acero al carbono y las recomendadas para el acero inoxidable. Estas últimas son aproximaciones cercanas a curvas analíticas derivadas de las del acero al carbono, utilizando el enfoque del módulo tangente descrito en el apartado 4.1.2. Las curvas determinadas para el acero inoxidable constituyen un límite inferior satisfactorio para los datos experimentales disponibles.
λ
Figura 12 Curvas para pilares de acero inoxidable y acero al carbono con los datos de pilares de material 304
42
El cálculo preciso de las flechas de las barras compuestas de materiales de acero inoxidable es un tema complejo. La forma de la curva de flechas en carga se ve afectada por la relación tensión-deformación no lineal del material y puede verse influida por los efectos de abolladura en el ala comprimida. Mientras que en el caso del acero al carbono el módulo es constan-
COMPORTAMIENTO Y PROYECTO… el valor de la tensión en cada punto. ττ τ λ Un cálculo preciso ττ de la flecha requiere por lo general el τ uso de técnicas iterativas que son inadecuadas para el proyecto. Además, λ τ τ las incertidumbres λ en el embridado extremo, el espesor τ τ λ del elemento, el compor tamiento del material, dejando la carga al marλ gen, sugieren que no es realista esperar o pretender una exactitud matemátiFigura 13 Resistencia a la cortadura de almas ca en la estimación de las flechas. Por lo tanto, resulta apropiado utilizar técnicas de aprote (es decir, igual al módulo de Young), hacia abajo ximación como la de sustituir el módulo de Young de la altura de la viga y a lo largo de la longitud de por el promedio de los módulos secantes en las la misma, el módulo tangente de las barras de alas tendidas y comprimidas. acero inoxidable puede variar en toda la viga según
43
5.
UNIONES
5.1 Aspectos Generales Al igual que para el cálculo de barras, el cálculo de uniones de acero inoxidable es muy similar al de uniones de acero al carbono. Aunque los detalles normalizados pueden ser ventajosos para las estructuras de acero al carbono, el mayor coste del acero inoxidable favorece un alejamiento de la uniformidad de los detalles como una vía para reducir estos costes, incluso si ello conlleva mayores cargas de trabajo. Las uniones funcionan, incluso cuando el recorrido supuesto de la carga no se verifica en la realidad, debido a la gran ductilidad del acero y, por ende, su potencial de redistribución. A este respecto el acero inoxidable, y en particular las clases austeníticas, es superior al acero al carbono. Todas las formas de unión utilizadas para el acero al carbono pueden también utilizarse con el acero inoxidable, salvo para uniones realizadas con bulones que trabajan por fricción. Estas uniones atornilladas no se realizan con acero inoxidable debido a los bajos coeficientes de fricción del acero inoxidable, a la relajación de la tensión en los bulones de acero inoxidable, y a las características variables del momento de torsión de dichos bulones.
5.2 Uniones Atornilladas El estado límite de rotura de las uniones atornilladas de acero inoxidable puede obtenerse con referencia a las disposiciones del Eurocódigo 3 para las uniones de acero al carbono. Sin embargo, puesto que el acero inoxidable tiene una alta ductilidad y las proporciones de fluencia/resistencia a la rotura del material son bajas, los criterios de servicio son más importantes para las uniones atornilladas de acero inoxidable que para las de acero al carbono. Deben considerarse dos aspectos: Resistencia de la superficie del taladro La resistencia a la rotura en la ecuación para la resistencia en la superficie de apoyo se
44
obtiene utilizando fu igual a la resistencia a la rotura de la pieza unida. Sin embargo, la resistencia útil de una unión atornillada de acero inoxidable se rige normalmente por criterios de servicio en los que el alargamiento del taladro sometido a cargas de servicio debe limitarse. A fin de evitar la realización de una comprobación aparte para el servicio, se recomienda colocar un límite al alargamiento del taladro en carga de rotura utilizando un valor reducido de fu, es decir, f u′. Para limitar el alargamiento del taladro en carga de rotura: fu′ = 0, 5fy + 0, 6fu Resistencia a la Tracción del Tornillo Este aspecto se aplica en particular a los tornillos recocidos, es decir, los tornillos de Clase de Propiedad 50 - véase la lección 22.1, ya que la proporción fluencia/resistencia a la rotura es baja (= 0,42). Las resistencias determinadas conforme al Eurocódigo 3 [5] se basan en la resistencia a la rotura de los tornillos. Esta base lleva al hecho de que los tornillos de la Clase de Propiedad 50 se someten a una tensión superior a la fluencia en cargas de trabajo. en el Eurocódigo 3, anexo S[4] se recomienda tomar la resistencia básica fub de un método de unión de acero inoxidable del modo siguiente: fub = valor mínimo especificado de resistencia a la tracción, pero no superior a 1,9 fyb fyb = tensión a 0,2% deformación permanente.
5.3 Uniones Soldadas Dado que se seleccionan consumibles apropiados para proporcionar al metal soldado una fluencia y una resistencia a la rotura al menos igual a las del metal original, las disposiciones del Eurocódigo 3 pueden aplicarse para calcular las resistencias de las uniones soldadas.
UNIONES Debe reconocerse el potencial de corrosión y, por esta razón, se evitará preferiblemente la soldadura intermitente. Se debe asimismo tener precaución con las soldaduras a tope con penetración parcial debido a la posibilidad de acción capilar y la consiguiente presencia de fisuras por corrosión. Al igual que con otros metales y aleaciones, el acero inoxidable sufre deformación con la soldadura. La distribución puede ser mayor en el caso de los aceros inoxidables austeníticos (véase el apartado 3.4). Puede provocar problemas de ajuste durante el montaje. La deformación por soldadura sólo puede controlarse, no eliminarse. Deben adoptarse las medidas siguientes por parte del proyectista y el montador: a. Medidas por parte del proyectista • Eliminar la necesidad de soldar. • Reducir la extensión de la soldadura. • Reducir el área de las soldaduras. Por ejemplo, en secciones gruesas, especificar preparaciones de doble V, U o doble U antes que de V sencilla.
• Utilizar juntas simétricas. • Proyectar para acomodar tolerancias dimensionales más amplias. b. Medidas por parte del montador • Utilizar dispositivos de fijación eficaces. Si es posible, el dispositivo de fijación debe incorporar barras de cobre o aluminio para ayudar a conducir el calor fuera del área de la soldadura. • Cuando no es posible una fijación eficaz, utilizar puntos de soldeo poco separados dispuestos en una secuencia equilibrada. • Asegurarse de que se obtiene un buen ajuste y alineamiento antes de soldar. • Utilizar el menor aporte de calor conmensurado con el proceso de soldadura seleccionado. • Utilizar una soldadura equilibrada y secuencias apropiadas, por ejemplo, secuencias de retroceso y bloques.
45
6.
RESUMEN FINAL
Las diferencias esenciales entre el comportamiento estructural del acero inoxidable y del acero al carbono son: 1. El proyectista debe considerar más atentamente la selección del material para una estructura de acero inoxidable. Es necesario considerar la corrosión, el acabado de superficie requerido y los métodos de trabajo de taller. 2. Las verificaciones de cálculo generalmente difieren cuantitativamente pero no cualitativamente de las de las estructuras de acero al carbono. 3. Puesto que el conocimiento del comportamiento de los pórticos de las estructuras de acero inoxidable todavía no está adelantado, no se recomienda el análisis plástico global como método de cálculo. 4. La alta ductilidad y la baja proporción fluencia/resistencia a la rotura del acero inoxidable significa que los criterios de servicio son más importantes.
7.
BIBLIOGRAFÍA
[1] Dier, A.F., “Design Manual for Structural Stainless Steel”, To be published by EURO INOX, 1993.
46
[2] Tendo, M., Takeshite, T., Nakazawa, T. and Abo, H., “Room Temperature Creep Behaviour of Austenitic Stainless Steels”, International Conference on Stainless Steels, June 1991, Iron and Steel Institute of Japan. [3] ANSI/ASCE-8-90: Specification for the Design of Cold-Formed Stainless Steel Structural Members, American Society of Civil Engineers. Published by ASCE, 345 East 47 Street, New York 10017-2398, USA, July 1991. [4] Eurocode 3: “Design of Steel Structures”. Part 1: Annex S: Use of Stainless Steel (en preparación). [5] Eurocode 3: “Design of Steel Structures”: European Prestandard ENV 1993-1-1: Part 1.1, General rules and rules for buildings, CEN, 1992.
8.
BIBLIOGRAFÍA ADICIONAL
1. Boiler and Pressure Vessel Code. Section 3. Rules for Construction of Nuclear Power Plant Components. Division 1: Subsection NF 3000. Component Supports, American Society of Mechanical Engineers, New York, 1983.
ESDEP TOMO 22 ACERO INOXIDABLE Lección 22.3: Corrosión de Acero Inoxidable
47
OBJETIVOS/CONTENIDO OBJETIVOS/CONTENIDO
RESUMEN
Comentar los mecanismos de la corrosión en el acero inoxidable y dar una orientación en la selección de la clase apropiada para la aplicación. Se orienta asimismo sobre la buena práctica de detalle para evitar la corrosión.
En esta lección se describen las razones del porqué el acero inoxidable puede corroerse, los mecanismos de dicha corrosión y la selección de clases para evitarla. Se orienta asimismo sobre la buena práctica del detalle y del almacenamiento y manipulación para mejorar la resistencia a la corrosión.
CONOCIMIENTOS PREVIOS Lección 22.1: Introducción al Acero Inoxidable LECCIONES AFINES Lección 22.2: Comportamiento y Proyecto Estructurales Lección 22.4: Fabricación
49
1.
INTRODUCCIÓN
Todos los metales estructurales comunes forman películas de óxido superficial cuando están expuestos al aire seco. El óxido formado en el acero dulce se rompe fácilmente y, en presencia de humedad, no se auto-repara. Así, puede producirse una reacción entre el acero (Fe), la humedad (H2O) y el oxígeno (O2) para formar la herrumbre. La reacción es compleja pero puede representarse mediante una ecuación química de la forma:
la corrosión evitando que el acero reaccione con la atmósfera. El comportamiento de la película pasiva depende de la composición del acero, su tratamiento de superficie y la naturaleza corrosiva de su entorno. La estabilidad de la capa aumenta a medida que aumenta el contenido de cromo. En la práctica, la mayoría de los aceros inoxidables que se utilizan en construcción contienen aproximadamente un 18% de cromo y un 105 de níquel. Algunos aceros inoxidables contienen también molibdeno para mejorar aún más su resistencia a la corrosión.
4 Fe + 2 H2O + 3 O2 = 2 Fe2O3.H2O Fe2O3.H2O es lo que vulgarmente se conoce como herrumbre y, al no ser normalmente protectora, no impide el proceso de corrosión. En el acero inoxidable también se forma un óxido. Consiste en un óxido rico en cromo que es estable, no poroso y con una gran adherencia al metal. Sin embargo, a diferencia del que se forma en el acero dulce, si se rompe (por ejemplo rascándolo o cortándolo) es capaz de autorepararse en presencia de aire o de un entorno oxidante. Es asimismo altamente resistente al ataque químico. Por estas razones, se le conoce como una “película pasiva”. Aunque la película es muy fina (~5x10-6mm), proporciona al acero inoxidable sus propiedades de alta resistencia a
50
El concepto de formación de película pasiva es importante porque cualquier condición que evite la formación de la película o que provoque su rotura provocará también la pérdida de la resistencia a la corrosión. La corrosión del acero inoxidable se produce por tanto si la película pasiva resulta dañada y no se le permite volverse a formar. En esta lección se describen las razones del porqué el acero inoxidable puede corroerse, los mecanismos de dicha corrosión y la selección de clases para evitarla. Se orienta asimismo sobre la buena práctica del detalle y del almacenamiento y manipulación para mejorar la resistencia a la corrosión. Puede encontrarse más elementos orientativos en [1].
TIPOS DE CORROSIÓN 2.
TIPOS DE CORROSIÓN
Los aceros inoxidables son por lo general muy resistentes a la corrosión y su rendimiento será satisfactorio en la mayoría de los entornos. El límite de la resistencia a la corrosión de un acero inoxidable determinado depende de los elementos de la aleación, lo que significa que cada clase tiene una respuesta ligeramente diferente cuando se la somete a un entorno corrosivo. Por lo tanto debe tenerse cuidado de seleccionar la clase más apropiada de acero inoxidable para una aplicación determinada. Por lo general, cuanto mayor sea el nivel de resistencia a la corrosión requerido, mayor será el coste del material. Las razones más frecuentes para que un metal no cumpla con las expectativas en lo referente a la resistencia a la corrosión son: a) valoración incorrecta del entorno o exposición a condiciones no previstas, por ejemplo, contaminación imprevista por iones de cloruro. b) la forma en que el acero inoxidable ha sido trabajado o tratado puede introducir un estado no previsto en la valoración inicial. Aunque los aceros inoxidables pueden estar sujetos a decoloración y manchas (a menudo debidas a la contaminación del acero al carbono), resultan extremadamente duraderos en edificios. En ambientes industriales agresivos o marítimos, los ensayos no han mostrado indicación alguna de reducción de la resistencia del componente incluso cuando se produce una ligera pérdida de peso. No obstante, el usuario puede considerar un fallo las manchas de herrumbre en las superficies externas. La experiencia indica que cualquier problema grave de corrosión se manifestará probablemente durante los dos o tres primeros años de servicio. En algunos entornos agresivos, algunas clases de acero inoxidable son susceptibles al ataque localizado. A continuación se describen seis mecanismos, aunque los últimos tres se
presentan muy raramente en edificios terrestres.
2.1 Picadura La picadura es una forma localizada de corrosión que puede producirse como resultado de una exposición a ambientes específicos, principalmente los que contienen cloruros. La picadura se produce porque los iones de cloruro penetran la película pasiva en puntos débiles. Se forma un elemento local con el área penetrada actuando como ánodo y la película pasiva a su alrededor actuando como cátodo. Puesto que el área del ánodo es pequeña y el área del cátodo es grande, la densidad de la corriente y, por ende, la tasa de corrosión en la superficie del ánodo, se hace muy alta. En la mayoría de las aplicaciones estructurales, la extensión de la picadura será probablemente superficial y la reducción de la sección del componente será despreciable. No obstante, los productos corroídos pueden empañar características arquitectónicas. En servicios como conductos, tuberías y estructuras de contención debe adoptarse una visión menos tolerante de la picadura. Si existe un riesgo conocido de picadura, será necesario utilizar un acero inoxidable al molibdeno.
2.2 Corrosión en Fisuras La corrosión en fisuras es una forma localizada de ataque que se inicia debido a la disponibilidad extremadamente baja de oxígeno en una fisura. Probablemente sólo será un problema en soluciones estancadas en las que se produce una acumulación de cloruros. La gravedad de la corrosión en fisuras depende en gran medida de la geometría de la fisura; cuanto más estrecha y profunda sea la fisura, más grave será la corrosión. Las fisuras se producen típicamente entre tuercas y arandelas o alrededor de la rosca de un tornillo o la espiga de un bulón. Pueden producirse fisuras asimismo en soldaduras que no han penetrado y debajo de depósitos en la superficie del acero. En princi-
51
pio, la picadura y la corrosión en fisuras son fenómenos similares, pero los ataques se inician más fácilmente en una fisura que en una superficie libre.
2.3 Corrosión Bimetálica La corrosión bimetálica (galvánica) puede producirse cuando metales disimilares están en contacto eléctrico en un electrolito común (por ejemplo lluvia, condensación, etc.). Si fluye corriente entre ambos, el metal menos noble (el ánodo) se corroe más rápido de lo que se corroería si los metales no estuvieran en contacto. La velocidad de la corrosión depende asimismo de las áreas relativas de los metales en contacto, la temperatura y la composición del electrolito. En particular, cuanto mayor sea el área del cátodo en relación con la del ánodo, mayor será la velocidad del ataque. En uniones y juntas es probable que se produzcan relaciones de área adversas. Los bulones de acero al carbono en barras de acero inoxidable deben evitarse porque la relación del área de acero inoxidable respecto a la de acero al carbono es grande y los bulones quedarán sujetos a un ataque agresivo. Inversamente, la velocidad de ataque de una barra de acero al carbono por un bulón de acero inoxidable es mucho menor. Normalmente resulta útil recoger experiencias previas en lugares similares, ya que los metales disimilares pueden a menudo acoplarse con seguridad en condiciones de condensación o humedad ocasionales sin efectos adversos, especialmente cuando la conductividad del electrolito es baja. La predicción de estos efectos resulta difícil, ya que la velocidad de la corrosión viene determinada por varios problemas complejos. La utilización de cuadros potenciales ignora la presencia de películas de óxido superficiales y los efectos de las relaciones de área y diferentes composiciones químicas de la solución (electrolito). Por lo tanto, el uso sin información de estos cuadros puede producir resultados erróneos. Deben utilizarse con precaución y sólo para una valoración inicial.
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Los aceros inoxidables austeníticos forman generalmente el cátodo en un par bimetálico y por lo tanto no sufren corrosión. Una excepción es el par con cobre, que en general debe evitarse salvo en condiciones benignas. el contacto entre aceros inoxidables austeníticos y zinc o aluminio puede provocar alguna corrosión adicional en los dos últimos metales. La corrosión no será probablemente significativa a nivel estructural, pero el polvo blanco/gris resultante puede considerarse desagradable. La corrosión bimetálica puede prevenirse excluyendo el agua del detalle (por ejemplo pintando o aterrajando la junta ensamblada) o aislando los metales entre si (por ejemplo pintando las superficies de contacto de los metales disimilares). El aislamiento en torno a las uniones atornilladas puede conseguirse mediante juntas de plástico no conductor o de goma y arandelas y bujes de nilón o teflón. Este sistema es un detalle cuya ejecución en la obra consume tiempo y normalmente no es posible disponer del nivel de inspección de obra necesario para comprobar que todas las arandelas y manguitos han sido correctamente instalados.
2.4 Fisuración por Corrosión bajo Tensión El desarrollo de la fisuración por corrosión bajo tensión (FCT) requiere la presencia simultánea de tensión de tracción y factores ambientales específicos que no es probable que se den en atmósferas normales de un edificio. No es necesario que las tensiones sean muy altas en relación con la tensión de prueba del material y pueden deberse a cargas y efectos residuales de los procesos de fabricación como la soldadura o el plegado. Debe observarse precaución cuando se utilizan barras de acero inoxidable que contienen tensiones residuales, por ejemplo debidas al trabajo en frío, en ambientes ricos en cloruro, por ejemplo piscinas, marinas, altamar. La probabilidad de FCT aumenta con la tensión de tracción y la temperatura. El acero inoxidable austenítico y ferrítico, por lo general, es completamente inmune a la FCT. En el acero
TIPOS DE CORROSIÓN inoxidable austenítico al cromo-níquel, el níquel es el elemento de la aleación que reduce en mayor medida la sensibilidad a la FCT.
2.5 Corrosión General (Uniforme) La corrosión general es mucho menos grave en el acero inoxidable que en otros aceros. Sólo se produce cuando el acero inoxidable se encuentra en un pH muy bajo (ambientes ácidos) o muy alto (ambientes alcalinos). Esta forma de corrosión no es un problema para las clases de acero inoxidable que se utilizan normalmente en edificios. Deben consultarse cuadros en la documentación del fabricante u obtener el asesoramiento de un ingeniero especializado en corrosión si el acero inoxidable debe estar en contacto con productos químicos.
2.6 Ataque Intergranular y Degradación de la Soldadura Cuando el acero inoxidable austenítico está sujeto a un calentamiento prolongado entre 450-850°C, el carbono del acero se difunde a los contornos del grano y precipita carburo de cromo. Este proceso elimina cromo de la solución sólida y deja un menor contenido de cromo
adyacente a los contornos del grano. Los aceros que se encuentran en este estado se denominan `sensibilizados'. Los contornos del grano se hacen susceptibles al ataque preferencial en exposiciones subsiguientes a un ambiente corrosivo. Este fenómeno se conoce como degradación de la soldadura cuando se produce en la zona afectada por el calor de una soldadura. Existen tres maneras de evitar la corrosión intergranular: • Utilizar acero con bajo contenido en carbono. • Utilizar acero estabilizado con titanio o niobio. Estos elementos tienen una mayor capacidad para ligar carbono que la que tiene el cromo, por lo que reducen el riesgo de formación de carburo de cromo. • Utilizar un tratamiento térmico. Este método se utiliza rara vez en la práctica. La experiencia ha demostrado que un bajo contenido en carbono (~0,05%) es suficiente en la mayoría de los casos para proteger contra la corrosión intergranular después de la soldadura. Esto es particularmente cierto cuando la soldadura se realiza por arco (con calentamiento y enfriamiento rápidos) incluso para espesores de chapa de hasta 20 mm.
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3.
SELECCIÓN DE LA CLASE
de condensación es más alto en lugares como cocinas y lavanderías. Las zonas costeras son muy corrosivas debido a la presencia de altas concentraciones de iones cloruro en el aire y las estructuras expuestas al agua de mar son particularmente susceptibles al ataque de la corrosión.
En la selección de la clase correcta del acero inoxidable debe tenerse en cuenta el entorno de la aplicación, la forma de trabajo de taller, el acabado de superficie y el mantenimiento de la estructura. Aunque el material requiere poco mantenimiento, cuando se selecciona para utilizarlo en un entorno corrosivo debe recurrirse a la ingeniería especializada en corrosión.
Una vez caracterizado el entorno general, es necesario considerar el efecto de las proximidades directas sobre el acero inoxidable (por ejemplo, elementos y substancias con los que es probable que el material entre en contacto). El estado de la superficie, la temperatura del acero y la tensión prevista pueden asimismo ser parámetros importantes.
El primer paso consiste en caracterizar el entorno de servicio. La corrosividad de un ambiente se rige por algunas variables como humedad, temperatura del aire, presencia de productos químicos y su concentración, contenido de oxígeno, etc. Para que se produzca corrosión debe haber humedad. Por ejemplo, los edificios con calefacción y ventilación pueden clasificarse como secos y no es probable que en tales ambientes se produzca corrosión. El riesgo Cuadro 1:
Seguidamente deben considerarse las propiedades mecánicas. Deben definirse los diferentes tipos de carga, por ejemplo cargas de servicio, cargas cíclicas, vibraciones, cargas sís-
Clases sugeridas para aplicaciones atmosféricas Lugar Clase de acero
Rural
Urbano
Industrial
Marino
L
M
H
L
M
H
L
M
H
L
M
H
430
√
(√)
(√)
X
X
X
X
X
X
X
X
X
304, 302 (inc 304L, 321, 347)
√
√
√
√
√
(√)
(√)
(√)
X
√
(√)
X
315
O
O
O
O
√
√
√
√
X
√
√
(√)
316 (inc 316L, 316Ti)
O
O
O
O
√
√
√
√
(√)
√
√
(√)
Clases especiales altamente aleadas
O
O
O
O
O
O
O
O
√
O
O
√
L M H
O √ X (√)
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– Condiciones menos corrosivas dentro de esta categoría, por ejemplo atemperadas por humedad baja, temperaturas bajas. – Bastante típica de esta categoría. – Es probable que la corrosión sea mayor que lo normal para esta categoría, por ejemplo aumentada por humedad alta persistente, altas temperaturas ambientales, particularmente contaminantes atmosféricos agresivos. – Potencialmente sobreespecificado desde el punto de vista de la corrosión. – Probablemente la mejor opción por resistencia a la corrosión y coste. – Es probable que sufra una corrosión excesiva. – Vale la pena considerarlo si se toman precauciones (es decir, especificando una superficie relativamente lisa y si se realiza un lavado regular).
SELECCIÓN DE LA CLASE micas. Puede ser necesario asimismo cuantificar el efecto de los ciclos de calentamiento/enfriamiento. Deben considerarse también la facilidad del trabajo de taller, la disponibilidad de formas de productos, el acabado de superficie y el coste. La valoración de la adecuabilidad de las clases se ve facilitada remitiéndose a la experiencia del acero inoxidable en aplicaciones y entornos similares. En el cuadro 1, extraído de , se da una guía para seleccionar clases adecuadas para entornos atmosféricos. Se basa en la exposición prolongada de muestras de chapa de
acero inoxidable a una variedad de lugares. Para aplicaciones más especializadas debe obtenerse siempre el asesoramiento de un experto, por ejemplo acero inoxidable sumergido o en contacto con productos químicos. Debe observarse precaución cuando se considere el uso de aceros inoxidables “labrados” para métodos de unión. La incorporación de azufre en la composición de estos aceros (normalmente designados 303 en la clase austenítica) los hace más susceptibles a la corrosión, especialmente en ambientes industriales o marinos.
55
4.
CONSIDERACIONES DEL DETALLE
El paso principal para la prevención de problemas de corrosión es la selección de una clase apropiada de acero inoxidable con procedimientos de trabajo de taller adecuados. Además de una selección cuidadosa de la clase de material, una buena pormenorización y mano de obra pueden reducir significativamente la probabilidad de manchas y corrosión, mientras que una pormenorización y mano de obra incorrectas pueden afectar negativamente a la resistencia a la corrosión. La siguiente guía práctica ayudará a asegurar un rendimiento satisfactorio del material: no todos los puntos serán aplicables siempre necesariamente.
• Evitar detalles que creen problemas de acceso en las soldaduras y puedan provocar que se corte por defecto o una falta de penetración. En la figura 1 se ilustran algunas características de proyecto correctas e incorrectas para prevenir la corrosión.
• Evitar disposiciones que permitan la acumulación de suciedad o la concentración de productos químicos. • Disponer canales de drenaje adecuados. • Evitar huecos de fisuras, hendiduras, separaciones. • Especificar contornos y radios suaves para las esquinas. • Evitar cambios pronunciados de sección y otros potenciadores de tensión. • Reducir al mínimo las tensiones de trabajo de taller seleccionando cuidadosamente los procedimientos de soldadura. • Evitar la contaminación por acero al carbono. • Aislar las uniones con otros metales.
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Figura 1 Diseños favorable y desfavorable para evitar la corrosión
ALMACENAMIENTO Y MANIPULACIÓN 5.
ALMACENAMIENTO Y MANIPULACIÓN
Todo el acero inoxidable debe almacenarse cuidadosamente de modo que las superficies queden protegidas de daños o contaminación. Los lugares de almacenamiento deben ser secos y limpios. El uso de películas protectoras puede ser beneficioso para aplicaciones arquitectónicas. Puede obtenerse más información del fabricante. Es necesario evitar la contaminación de la superficie de los componentes de acero inoxidable por acero al carbono en todas las fases de trabajo de taller, manipulación, almacenamiento, transporte y montaje. en particular, el fabricante debe cuidar de evitar la contaminación, por ejemplo aislando las zonas o mediante procedimientos de mantenimiento específicos. El objeto de esto es evitar la recogida de carbono durante el laminado o por residuos de pulido que pueden oxidarse al exponerse a la humedad y manchar la superficie. Cuando se vayan a utilizar equipos de elevación o manipulación como correas, ganchos de grúa, cadenas o rodillos, debe colocarse un material de protección adecuado entre el acero inoxidable y el acero al carbono para evitar daños. Para ello resulta adecuado el cartón pesado limpio o el contrachapado ligero. Las herramientas de montaje como brocas y taladros deben ser de acero inoxidable para que no se produzca contaminación de la superficie. Las muelas deben también reservarse exclusivamente para utilizarlas en el acero inoxidable.
El contacto con contaminantes orgánicos como aceites, grasas, tintes, colas, cinta adhesiva y otros depósitos similares debe evitarse. Cuando se utilicen, debe comprobarse con el fabricante que sean adecuados. El acero inoxidable puede verse desfigurado por ciertos productos químicos y debe comprobarse que cualquier marca que se trace sobre la superficie pueda eliminarse fácilmente. El proyectista debe especificar todos los requisitos visuales, de forma que el montador pueda tener el debido cuidado para proteger la superficie en cuestión. Si los componentes requieren limpieza por razones estéticas, puede utilizarse jabón, detergente o una solución de amoníaco con cepillos rascadores. El acero inoxidable debe aclararse a continuación con agua limpia y seguidamente secarse. Se recomiendan las inspecciones para detectar signos de daños mecánicos, contaminación de la superficie o ataque corrosivo incipiente en los elementos arquitectónicos. A veces se utilizan soluciones fuertes con ácido para limpiar la albañilería y las baldosas de edificios, pero no debe nunca permitirse que entren en contacto con metal alguno, incluido el acero inoxidable. Si esto ocurriera, debe eliminarse inmediatamente la solución ácida con grandes cantidades de agua.
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6.
RESUMEN FINAL
1. El acero inoxidable tiene una resistencia a la corrosión superior a la del acero al carbono. Esta resistencia la proporciona una película pasiva que se forma en la superficie del metal y evita que éste reaccione con el ambiente. 2. La corrosión del acero inoxidable puede producirse cuando se utiliza una clase de material en un ambiente para el que no es adecuado o cuando el acero inoxidable ha sido tratado de forma tal que se ha reducido su resistencia a la corrosión. 3. Existen varios mecanismos de corrosión diferentes que pueden afectar al acero inoxidable. Estos pueden “evitarse” mediante la selección apropiada de la clase. 4. Una buena práctica de pormenorización desempeña un papel importante en la mejora de
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la resistencia a la corrosión: una pormenorización incorrecta puede afectar negativamente a la resistencia a la corrosión. 5. Cuando se utiliza acero inoxidable para efectos arquitectónicos, es importante evitar la contaminación de la superficie de acero inoxidable por acero al carbono que puede posteriormente oxidar y manchar la superficie.
7.
BIBLIOGRAFÍA
[1] Burgan, B. A., Concise guide to the structural design of stainless steel, The Steel Construction Institute, SCI-P-123, Second Edition, 1993. [2] Nickle Development Institute, An architect's guide on corrosion resistance, NiDI, 1990.
ESDEP TOMO 22 ACERO INOXIDABLE Lección 22.4: Fabricación
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OBJETIVOS/CONTENIDO OBJETIVOS/CONTENIDO
RESUMEN
Proporcionar información sobre los procesos utilizados en el trabajo de taller de las estructuras de acero inoxidable.
En esta lección se comenta la importancia del mantenimiento de la resistencia a la corrosión del acero inoxidable durante las operaciones de conformación, labra y ensamblaje. Se revisan las principales características de las técnicas de labra y conformación utilizadas para el trabajo de taller de estructuras de acero inoxidable.
LECCIONES AFINES Lección 22.1: Introducción al Acero Inoxidable
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1.
INTRODUCCIÓN
El acero inoxidable no es un material difícil de trabajar. Sin embargo, en algunos aspectos es diferente del acero al carbono y debe tratarse en consecuencia. Muchos procesos de trabajo de taller son similares a los utilizados para el acero al carbono, pero las diferentes características del acero inoxidable requieren una atención especial en ciertas áreas. Es importante establecer una comunicación eficaz entre el proyectista y el montador desde el principio del proyecto a fin de asegurarse de que se pueden adoptar y se adoptan los métodos de trabajo de taller apropiados. Un objetivo de la mayor importancia es mantener la resistencia a la corrosión del acero. Es esencial tomar precauciones, en todas las fases de almacenamiento, manipulación, conformación y soldadura a fin de reducir al mínimo los daños mecánicos u otros daños superficiales, es decir, en la capa de óxido. Aunque esenciales, las precauciones son sencillas y, en general, son una cuestión de buena práctica mecánica. Es importante preservar el buen aspecto superficial del acero inoxidable a lo largo de todo el trabajo de taller. Los defectos de superficie no sólo son desagradables a la vista, sino que normalmente son inaceptables y su reparación requiere tiempo y resulta costosa. Mientras que normalmente en las estructuras de acero al carbono los defectos de superficie se ocultan con pintura, en las estructuras de acero inoxidable esto se hace raramente. La forma de la estructura puede estar dictada por la disponibilidad de materiales. Debe reconocerse el hecho de que la gama de perfiles laminados de acero inoxidable es más limitada que para el acero al carbono. Como resultado de esta limitación, se hace un uso de barras conformadas en frío y soldadas mayor de lo habitual. Asimismo, debido a las capacidades de los plegadores, sólo es posible obtener longitudes relativamente pequeñas. Como resultado de ello se hace un mayor uso de los empalmes. Al detallar las uniones, deben considerarse huelgos para los bulones junto a los radios de flexión y para
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los posibles problemas de ajuste que puedan surgir como consecuencia de la deformación por la soldadura. Generalmente, los cuidados necesarios para el almacenamiento y manipulación son mayores con el acero inoxidable que con el acero al carbono a fin de evitar dañar el acabado de superficie (especialmente los acabados recocidos brillantes o pulidos) y para evitar la contaminación por acero al carbono y hierro. Los métodos de almacenamiento y manipulación deben convenirse entre las partes contratantes correspondientes antes de cualquier trabajo de taller y de forma suficientemente pormenorizada para acomodar cualquier requisito especial. Los métodos deben abarcar, por ejemplo, los elementos siguientes: • El acero debe revisarse inmediatamente después de la entrega para comprobar la existencia de cualquier daño en la superficie. • El acero puede tener un plástico protector u otro recubrimiento. Este recubrimiento debe dejarse puesto tanto como sea posible, preferiblemente hasta que haya finalizado todo el trabajo de taller. • El almacenamiento en atmósferas húmedas y salinas debe evitarse. Los estantes de almacenamiento no deben tener superficies de rozamiento de acero al carbono y, por lo tanto, deben protegerse con listones o láminas de madera, goma o plástico. Las chapas y planchas se apilarán de forma vertical preferiblemente; las chapas apiladas horizontalmente pueden pisarse, con el consiguiente riesgo de contaminación por hierro y daños en su superficie. • Los equipos de elevación de acero al carbono, por ejemplo cadenas, ganchos y mordazas, deben evitarse. La adherencia de hierro se evitará utilizando materiales aislantes. las horquillas o carretillas elevadoras deben protegerse también. • Debe evitarse el contacto con productos químicos, incluidas cantidades indebi-
INTRODUCCIÓN das de aceite y grasa (que pueden manchar algunos acabados). • Idealmente, deben utilizarse áreas de trabajo de taller separadas para el acero al carbono y el acero inoxidable. Sólo deben emplearse herramientas reservadas para el acero inoxidable. Esto se aplica particularmente a las muelas y los cepillos metálicos. Los cepillos metálicos y la lana de alambre deben ser de acero inoxidable y, generalmente, de una clase equivalente en térmi-
nos de resistencia a la corrosión, por ejemplo, no utilizar cepillos de acero inoxidable ferrítico para el acero inoxidable austenítico. • Como precaución durante el trabajo de taller y el montaje, es conveniente asegurarse de eliminar cualquier rebaba afilada que se haya formado durante las operaciones de corte. • Debe considerarse cualquier medida necesaria para proteger el material acabado durante el transporte.
63
2.
LABRA DEL ACERO INOXIDABLE
2.1 Corte El acero inoxidable es un material caro comparado con algunos otros metales y por lo tanto debe tenerse un cuidado particular al marcar chapas y planchas a fin de evitar desperdicios en el corte. Si el material tiene una textura de pulido (o una textura unidireccional) que debe mantenerse en el trabajo de taller. Las marcas trazadas con algunos lápices/tizas son difíciles de eliminar o producen manchas si se utilizan directamente sobre la superficie (en lugar de utilizar una lámina protectora). Se debe comprobar que los lápices/tiza que se vayan a utilizar sean satisfactorios en este respecto. El acero inoxidable puede cortarse con métodos normales, por ejemplo cizallamiento (figura 1) y aserrado, pero la potencia necesaria es mayor que para espesores similares de acero al carbono debido al endurecimiento por
medios mecánicos. En particular se necesita más potencia para las clases austeníticas. Si es posible, el corte (y la labra en general) debe realizarse cuando el metal se encuentra en estado recocido (ablandado), a fin de limitar el endurecimiento mecánico y el desgaste de las herramientas. Para cortar líneas rectas se utiliza ampliamente el guillotinado. Utilizando guillotinas de extremo abierto puede conseguirse un corte continuo de longitud mayor que las hojas de corte, aunque con el riesgo de introducir pequeños escalones en el borde de corte. Las técnicas de arco de plasma se utilizan también y resultan particularmente útiles para cortar chapas finas y perfiles y cuando los bordes de corte deben labrarse, por ejemplo para preparar la soldadura. el corte por oxiacetileno no es satisfactorio para cortar acero inoxidable salvo que se utilice una técnica de adición de polvo.
2.2 Perforación y Punzonado
Figura 1 Corte
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Los taladros pueden perforarse o punzonarse. Durante la perforación debe mantenerse el corte positivo a fin de evitar el endurecimiento mecánico. Para ello son necesarias brocas afiladas con ángulos de ahusamiento y velocidades de corte correctos. El uso de un punzón central de punta redondeada no se recomienda, ya que este trabajo endurece la superficie. Debe utilizarse una taladradora central o, si debe utilizarse un punzón central, debe ser de punta triangular. Los agujeros punzonados pueden hacerse en acero inoxidable austenítico de hasta aproximadamente 20 mm de espesor. El diámetro mínimo del taladro que se puede punzonar es 2 mm mayor que el espesor de la chapa. La distancia mínima entre agujeros punzonados debe ser la mitad del diámetro del agujero. Los agujeros punzonados deben evitarse en ambientes corrosivos debido a la presencia del borde endurecido (figura 2), salvo que se escarie después el punzonado.
LABRA DEL ACERO INOXIDABLE inoxidables, en especial los austeníticos. De lo contrario puede producirse un sobrecalentamiento local con el consiguiente alabeo y endurecimiento localizados, que pueden causar corrosión bajo tensión. Además, en aceros inoxidables que ni son bajos en carbono ni están estabilizados, pueden producirse precipitaciones de carburo de cromo, con el peligro de corrosión intergranular subsiguiente en caso de que las piezas entren en contacto con entes que puedan inducirla. (En la práctica la corrosión intergranular sólo es un problema en ambientes acídicos donde se ha soldado el acero inoxidable.) Las muelas son abrasivos con una base de óxido de aluminio y carburo de silicio y tienen adherencias de dureza media y grande. Es importante que los abrasivos no contengan ningún componente de hierro. Figura 2 Punzonado
2.3 Amoladura Debe tenerse en cuenta particularmente la mala conductividad típica de todos los aceros
Debe tenerse cuidado de no utilizar muelas para amolar acero inoxidable que ya se hayan utilizado para amolar acero al carbono. De lo contrario la superficie del acero inoxidable resultará contaminada, pudiendo producirse decoloración.
65
3.
OPERACIONES DE CONFORMACIÓN Y ENSAMBLAJE
3.1 Conformación en Frío El acero inoxidable se conforma mediante las técnicas usuales de conformación en frío como flexión, entallado, plegado y estiramiento. Para aplicaciones estructurales la técnica de plegado en plegador es la más relevante aunque para productos finos a gran volumen la conformación en rodillo puede ser más económica. Para que estos procesos tengan éxito se recomienda que el acero inoxidable se encuentre en estado ablandado. Además, debe recordarse que, para un mismo espesor que se vaya a trabajar, será necesaria más fuerza que para conformar acero al carbono, así como menores velocidades de conformación, especialmente para los austeníticos. En el caso de conformación extrema debe prestarse una atención especial a la lubricación.
3.1.1 Plegado en prensa Este método se utiliza para obtener perfiles de varias formas. Se utilizan las prensas del mismo tipo utilizado para el acero al carbono. Las mejores condiciones para el plegado se dan cuando el eje de plegado de la chapa o fleje es perpendicular a la dirección de laminación a fin de evitar la fisuración. No obstante, siempre es posible realizar flexiones con el eje paralelo a la dirección de laminación, especialmente con las clases austeníticas. Los bordes de los extremos del fleje y la chapa no deben tener rebabas, ya que de lo contrario podrían producirse fisuras, especialmente si el radio de plegado es pequeño en comparación con el espesor. La recuperación elástica es mayor que en el acero al carbono. Así, deben
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planearse ángulos sobreplegados adecuados para obtener los ángulos requeridos en la pieza acabada. Para doblar fleje y chapa de acero inoxidable se utilizan con éxito matrices de elastómero. Presentan la ventaja, sobre las de acero, de que proporcionan una protección máxima al acabado de superficie y son una garantía contra la contaminación.
3.1.2 Conformación en rodillo la conformación del fleje se realiza mediante una sucesión continua de plegados en torno a ejes paralelos a la dirección de laminación (la peor condición). Así pues, es necesario graduar los ángulos y los radios de curvatura adecuadamente según el espesor del fleje. También es conveniente mantener el fleje a tracción durante la conformación incrementando los diámetros de los rodillos en aproximadamente un 1% en cada soporte de rodillo desde los de entrada hasta los de salida. En la figura 3 se muestra una secuencia correcta de conformación de un fleje de acero inoxidable. Se indican los valores de los ángulos y los radios de curvatura, fase por fase, para una clase austenítica.
3.1.3 Plegado Para chapa y fleje, el plegado se realiza por conformación en tres rodillos, un método similar al utilizado para el acero al carbono, pero debe recordarse que la recuperación elástica es mayor, especialmente en las clases austeníticas. Para los perfiles laminados en frío o plegados en prensa, el plegado se realiza normalmente por estiramiento y posiblemente también utilizando compresión (figura 4) para evitar la disgregación. La disgregación puede producirse en el acero inoxidable, que se utiliza generalmente con espesores menores que el acero al carbono. Esta técnica permite asimismo reducir los efectos de la recuperación elástica.
OPERACIONES DE CONFORMACIÓN… ción especial. La técnica más apropiada es utilizar dispositivos conformadores de rotación, preferiblemente dotados de un rodete y posiblemente articulados para flexiones extremas.
º
En el caso más frecuente de tubos soldados se recomienda, especialmente para las clases ferríticas, situar la soldadura en correspondencia con la fibra neutra. La recuperación elástica es particularmente grande en las clases austeníticas.
º º º
3.1.4 Estiramiento profundo
º º
º
La pieza troquelada tiene un área igual a la suma de la base y las áreas laterales de los elementos acabados, posiblemente con el añadido de una sección periférica para tener en cuenta el tamaño del ala requerida para regular el flujo de material (figura 5). El espesor de la pieza troquelada depende del de los lados del elemento acabado, teniendo en cuenta que el espesor final puede reducirse tanto como un 20-30%.
º
º
º
El perfil de la pieza troquelada es circular cuando el elemento terminado tiene secciones transversales compatibles con ese perfil. Cuando las secciones transversales no son circulares se utiliza un perfil poligonal.
Figura 3 Secuencia correcta de conformación de una sección laminada en frío de acero inoxidable austenítico
Para tubos, en los que generalmente también se utilizan espesores menores que en el acero al carbono, debe observarse una precau-
Cuando es necesario un estiramiento muy profundo debe aplicarse un tratamiento térmico adecuado para ablandar el material a fin de facilitar el estiramiento una vez el material ha alcanzado su límite. Los radios de unión y los huelgos entre punzón y matriz son particularmente importantes (figura 6).
Figura 4 Plegado de una sección por conformación en rodillos y estiramiento
Debe prestarse una atención especial a la selección de los materiales y el acabado de las matrices, así como a la lubricación para evitar el agarrotamiento.
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3.2 Soldadura Es necesario ser muy consciente de las diferencias en las propiedades físicas del acero inoxidable respecto al acero al carbono. Debe consultarse la bibliografía especializada para determinar los parámetros correctos de operación. En particular, en ambientes donde puede producirse corrosión intergranular, es prudente seleccionar un acero inoxidable bajo en carbono o estabilizado cuando se va a soldar material más grueso, puesto que el espesor límite depende del proceso de soldadura y del ambiente real. Todas las técnicas de soldadura pueden utilizarse con las clases austeníticas, pero existen instrucciones particulares para soldar clases ferríticas y martensíticas.
Figura 5 Estiramiento profundo de una forma cilíndrica
El acero inoxidable puede asimismo soldarse al acero al carbono para obtener estructuras híbridas. Deben emplearse técnicas apropiadas, incluido un metal de aportación y electrodos altamente aleados a fin de compensar la dilución del cordón de soldadura debido a la presencia de acero al carbono. Cuando la soldadura ha terminado, todo el acero al carbono, incluido el nervio de soldadura, debe protegerse cuidadosamente con una pintura adecuada. Estas estructuras híbridas deben proyectarse con mucho cuidado para evitar los peligros de la corrosión bimetálica.
3.2.1 Soldadura por fusión Estas técnicas utilizan la fusión de los bordes de las piezas que se van a unir, junto con la del metal de aportación. Normalmente todas las clases austeníticas pueden soldarse por fusión. Para otros tipos de acero inoxidable es necesario examinar cada situación y seleccionar el sistema más adecuado. Figura 6 Parámetros geométricos habituales para estiramiento profundo
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Las técnicas utilizadas con mayor frecuencia en la práctica son:
OPERACIONES DE CONFORMACIÓN… Soldadura manual por arco eléctrico Deben utilizarse preferentemente equipos de soldadura de corriente continua y polaridad inversa para asegurar una mejor penetración (figura 7). Esta técnica puede utilizarse en espesores no menores de 1 a 1,5 mm y no requiere preparación especial de los bordes hasta un espesor de aproximadamente 4 mm. Para uniones con espesores mayores se requiere una preparación especial de los bordes utilizando una herramienta de calafateo apropiada. Las piezas que se van a soldar deben sujetarse firmemente juntas, especialmente las clases austeníticas, puesto que estos materiales tienen un alto coeficiente de dilatación térmica. Soldadura por tungsteno - gas inerte (TIG) Esta técnica se utiliza mucho para el acero inoxidable, en particular las clases austeníticas. El electrodo consiste en una varilla no consumible de aleación de tungsteno-torio y el
Figura 7 Polaridad en el soldeo directo
arco está protegido por un chorro de gas inerte (argón, posiblemente con adicción de hidrógeno).Se utiliza con polaridad directa (figura 7). No es necesario utilizar material de aportación para espesores de hasta 1,5 mm con una preparación adecuada (figura 8), mientras que para espesores mayores (hasta 5 - 6 mm, que es el límite práctico para esta técnica) debe utilizarse aportación. Los bordes deben en todos los casos acoplarse bien y fijarse juntos. Para conseguir una soldadura correcta, especialmente en el caso de espesores mayores, la protección por gas inerte debe aplicarse también al reverso de la soldadura. Soldadura por metal - gas inerte (MIG) Esta técnica difiere de la anterior en el hecho de que el electrodo consiste en un alambre de acero inoxidable consumible enrollado en una bobina. El gas de inicio está compuesto por mezclas adecuadas a base de argón, según el sistema de transferencia del metal de aportación durante la soldadura. Básicamente, los sistemas de soldadura utilizados son: arco por cortocircuito (y su derivación, arco pulsado) para espesores menores de 2 - 3,5 mm y arco pulverizado para espesores mayores, de hasta 8 mm. Para espesores mayores, el método presenta un interés menor.
Figura 8 Preparación de chapas con espesores menores de 1,5 mm para el soldeo TIG sin varilla de metal de aportación
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Soldadura por arco-plasma
Soldadura continua
Ésta es una técnica de soldadura que opera siempre en presencia de gas inerte y que, con el método de “ojo de cerradura”, permite realizar la soldadura de una sola pasada sin ninguna preparación especial de las piezas, que simplemente deberán acoplarse y sujetarse juntas. La alimentación utiliza polaridad directa.
Este método permite la soldadura continua de espesores de aproximadamente 0,5 a 4 mm.
La velocidad de soldadura es considerablemente mayor que con los otros sistemas mencionados. El sistema de microplasma puede utilizarse para espesores entre 0,02 mm y 1,5 mm, ambos incluidos.
En este caso también, la presión en los electrodos debe ser mayor que en el acero al carbono, a espesor igual. Deben escogerse parámetros de soldadura adecuados para las clases austeníticas, mientras que los parámetros no difieren mucho de los del acero al carbono para las clases ferríticas y martensíticas. Las uniones realizadas con este sistema son estancas al agua y al gas.
3.3 Bulones, Remaches y Tornillos 3.2.2 Soldadura por resistencia Con esta técnica se consigue la fusión de una pequeña parte de los materiales que se deben unir. El metal de aportación no es necesario y la junta en el punto de unión se consigue mediante el efecto Joule. La técnica puede utilizarse para todos los tipos de acero inoxidable, ya que estos aceros tienen una resistividad eléctrica importante. Soldadura por puntos Este método puede utilizarse para espesores entre aproximadamente 0,4 y 3 mm ambos incluidos. Debe recordarse que con este tipo de soldadura siempre es necesario ejercer más fuerza en los electrodos que la que se ejerce, a espesor igual, para el acero al carbono. Los demás parámetros no difieren mucho de los utilizados en el acero al carbono en el caso de las clases ferríticas y martensíticas. Son necesarios parámetros apropiados para las clases austeníticas (menor corriente y menor tiempo de soldadura).
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Cuando se unen dos elementos de acero inoxidable es absolutamente necesario utilizar elementos de acero inoxidable u otros materiales con una resistencia a la corrosión equivalente. Si se tuvieran que utilizar bulones, remaches y tornillos de acero al carbono u otros materiales no nobles, se corroerían rápidamente debido a la corrosión electrolítica. La estructura de acero inoxidable actuaría como un gran cátodo y el elemento de unión, en este caso, actuaría como un ánodo pequeño. Cuando se unen elementos de acero inoxidable a elementos estructurales de acero al carbono, el elemento de acero al carbono debe protegerse bien mediante una pintura adecuada. Deben utilizarse remaches, tornillos y bulones de acero inoxidable y el elemento de acero al carbono debe aislarse adecuadamente del elemento de acero inoxidable (figura 9). Los remaches, tornillos y bulones de acero inoxidable (que actúan como cátodos) pueden utilizarse para estructuras de otros materiales menos nobles (que actúan como grandes ánodos) sin ninguna precaución particular. Se recomienda que el estado del material de tornillería sea el de trabajado en frío, clase de
OPERACIONES DE CONFORMACIÓN… La soldadura de bloqueo de la tuerca al bulón no debe permitirse nunca, ya que los materiales están formulados para soldadura por resistencia y no para soldadura por fusión.
3.4 Unión por adhesivos
Figura 9 Detalle habitual de unión entre materiales diferentes (para evitar la corrosión electrolítica)
Los aceros inoxidables pueden unirse entre sí o a otros materiales para realizar uniones estructurales. Pueden utilizarse muchos tipos de adhesivos (resina de cyanoacrilato, resina epoxy, resina fenólica, resina de poliuretano, etc.) según las características que requiera la unión.
propiedad 70 como mínimo. Los materiales de tornillería no deben utilizarse en estado ablandado debido a la propensión a la excoriación. Esta propensión se reduce mediante:
Es importante hacer hincapié en el hecho de que, cuando se utiliza este tipo de técnica de unión, debe proyectarse y ejecutarse correctamente.
• la utilización de roscas laminadas, en lugar de labradas. • evitando el uso de roscas finas y formas de rosca con ajuste apretado. • lubricación.
No es posible utilizar este método para uniones proyectadas para ser realizadas mediante soldadura, aunque pueden diseñarse uniones mixtas, realizadas por soldadura y adhesivos.
71
4.
INSPECCIÓN
Los métodos de inspección no destructivos para detectar defectos superficiales y/o internos en elementos de acero inoxidable y en elementos prefabricados se relacionan con algunas propiedades de los diversos tipos de acero inoxidable. Pueden utilizarse los siguientes métodos en todos los tipos de acero inoxidable: • inspección visual para detectar defectos de superficie surgidos en el trabajo de taller. • comprobaciones con líquidos penetrantes (tinte penetrante) para detectar defectos de superficie, especialmente en las soldaduras. • comprobaciones por radiografía y gammagrafía para investigar la presencia de defectos en el interior de la pieza que no son evidentes en la superficie, especialmente en las soldaduras. • comprobaciones por ultrasonidos para detectar defectos en el interior de
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la pieza o en las soldaduras. Los métodos ultrasónicos son muy sensibles y permiten identificar la situación del defecto con una gran precisión. • Comprobaciones de corriente parásita (también conocida como “corriente inducida”), se utilizan generalmente con una alta velocidad de comprobación en elementos de construcción de acero inoxidable, para detectar defectos internos o los que están a punto de aparecer en la superficie, por ejemplo en tubos soldados. Los métodos siguientes sólo pueden utilizarse en aceros ferríticos y martensíticos: • comprobaciones magnetoscópicas (inspección de partículas magnéticas) para identificar defectos en la superficie o inmediatamente debajo de la misma. La limitación a estos tipos de acero inoxidable se debe a la necesidad de que el componente o la estructura sometidos a examen sean ferromagnéticos.
ACABADO 5.
ACABADO
El acabado de superficie del acero inoxidable es un criterio importante en el proyecto y debe especificarse claramente conforme a los requisitos arquitectónicos o funcionales. Cuanto más fino es el acabado, mayor es el coste. Las precauciones adoptadas al principio durante la manipulación y la soldadura ayudan substancialmente a reducir los costes de acabado. La programación inicial es importante para reducir costes. Por ejemplo, si la soldadura tubo a tubo en un pasamanos o barandilla se oculta en el interior de un montante, el coste de acabado se reducirá y se obtendrá una mejora significativa del aspecto final del pasamanos. La superficie del acero debe restaurarse a su condición de resistencia a la corrosión eliminando toda capa de óxido y contaminación. El decapado en un baño ácido ablandará la capa de óxido, permitiendo eliminarla por cepillado con un cepillo de pelo de plástico o de acero inoxidable, al tiempo que se disolverán las partículas de hierro o de acero al carbono incrustadas. Los tratamientos abrasivos como la amoladura, el acabado, el pulido y el pulido con rueda de trapo producen acabados unidireccio-
nales. Así, la combinación de soldaduras puede no resultar fácil en chapas/planchas con superficies laminadas normales. Puede ser necesario un cierto grado de experimentación para determinar procedimientos detallados para obtener una acabado adecuado. El pulido electrolítico elimina una fina capa superficial. Puede obtenerse una variedad de acabados, de mate a brillante, dependiendo en gran medida de la superficie inicial del material. Existen otros procesos de acabado (electrochapado, agitación en tambor, erosión selectiva, coloreado y oscurecimiento de superficie). Estos procesos se utilizan rara vez para el acero inoxidable estructural y por ello no se mencionan más aquí. Cabe señalar que la superficie debe estar libre de contaminantes en la estructura montada. Debe considerarse en particular la posibilidad de contaminación originada por trabajos en estructuras metálicas al carbono adyacentes, especialmente por polvo de amoladura. El acero inoxidable debe protegerse mediante lámina de plástico extraible o bien debe especificarse la limpieza final una vez terminada la estructura.
73
6.
RESUMEN FINAL • Las estructuras de acero inoxidable no son difíciles de realizar pero es necesario cuidar el producto a fin de evitar una costosa restauración de la superficie del acero. • Pueden utilizarse métodos clásicos de unión para elementos de acero inoxidable siempre que se tengan en cuenta algunas particularidades del material que requieren una atención especial. • Para elaborar las distintas formas, se utilizan principalmente las técnicas de conformación en frío.
7.
BIBLIOGRAFÍA
1. Di Caprio, G., Gli acciai inossidabili, Hoepli, 2nd edition, Milano 1981, Los aceros
74
inoxidables, Ebrisa, 1st edition, Barcelona 1987. 2. Dier, A. F., “Design Manual for Structural Stainless Steel”, A publicar por EURO INOX, 1993. 3. Lacombe, P., Baroux, B., Beranger, G., Les aciers inoxydables, Les éditions de physique, Les Ulis 1990. 4. Lula, R. A., Stainless Steel, ASM, Metals Park, Ohio 1986. 5. Peckner, D., and Bernstein, I. M., Handbook of Stainless Steels, McGraw-Hill Book Company, New York 1977. 6. Schierhold, P., Nichtrostende Stähle, Verlag Stahleisen MBH, Düsseldorf 1990.
DIAPOSITIVAS COMPLEMENTARIAS DEL TOMO 22: ACERO INOXIDABLE
75
T22c1 Edificio Chysler, Nueva York, EEUU (1926-1929)
T22c2 Iglesia de Vimodrome, Italia (1990-1991)
T22c3 Iglesia de Vimodrome, Italia
T22c4 Chimenea aislada de acero inoxidable
77
T22c5 Planetario, Stuttgart, Alemania (1977)
T22c6 Rejilla
T22c7 Planetario, Stuttgart, Alemania
T22c8 Eurotúnel
T22c9 Torre, Italia
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T22c10 Pasarela en el puerto
T22c11 Barandilla de acero inoxidable en Pont-de-l’Arche, Francia
T22c12 Marquesina de autobús, Dusseldorf, Alemania
T22c13 Estación de ferrocarril, Annecy, Francia
T22c14 Montaje de paneles de acero inoxidable para fachadas
T22c15 Talleres de estación de autobuses, Doncaster, Reino Unido
T22c16 Hospital St. Mary, Isla de Wight, Reino Unido (1990)
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T22c17 Canary Wharf- Número 1 Canadá Square, Londres, Reino Unido
T22c18 City Terminus, Stocolmo, Suecia
T22c19 Talleres ferroviarios, Cleveland, Ohio, EEUU
T22c20 Edificio en Saronno, Italia
T22c21 Colegio en Montceaux-les-Mines, Francia
T8c22 Terminal Internacional, Waterloo, Londres, Reino Unido
80
T22c23 Cubierta Japonesa
T22c24 Planetario de Bochum, Alemania
T22c25 Instalaciones deportivas de la Universidad de Dalhouise, Nueva Escocia, Canadá
T22c26 Soldadura en paneles de cubierta de acero inoxidable
T22c27 Marquesina del Hotel Savoy, Londres, Reino Unido
T22c28 Centro Comercial nº 2, Bercy, París, Francia (1990)
T22c29 Centro de exposiciones, Munich, Alemania
T22c30 Escaleras de estación de metro, Londres, Reino Unido
81
T22c31 Lloyds, Londres, Reino Unido
T22c32 Thames Tidal Barrier, Londres, Reino Unido
T22c34 La Geode, Parc de la Villette, París, Francia
T22c33 Farolas de alumbrado
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