INCI 4231: Acero y Aluminio

Metales: Acero y Aluminio

• El curso es INCI 4231 - Materiales de Ingeniería Civil impartido por el Prof. Felipe J. Acosta Costa.

Acero

• El hierro se utiliza desde el año 1500 a.C.
• El acero consta de una combinación de hierro y carbono.
• El alto horno fue desarrollado en el siglo XVIII para producir metales ferrosos.
• La producción de acero se inició a mediados del siglo XIX con la invención del convertidor Bessemer.
• El horno básico de oxígeno y la colada continua se desarrollaron en la segunda mitad del siglo XIX.

Producción de Acero

• El acero para la construcción se clasifica en:
• Acero estructural: Colada continua y laminado en caliente.
• Acero conformado en frío.
• Productos de fijación.
• Acero de refuerzo para hormigón.
• Productos diversos.

Diagrama de Fase Hierro-Carburo de Hierro

• Muestra las fases del acero en función de la temperatura y el contenido de carbono.
• Presenta las líneas de temperatura críticas superior e inferior.
• Incluye fases como Austenita, Ferrita y Cementita (Fe3C).

Tratamiento Térmico del Acero

• Recocido: Refina el grano, ablanda el acero, elimina tensiones internas y gases, aumenta la ductilidad y la tenacidad, y cambia las propiedades eléctricas y magnéticas.
• Recocido total.
• Recocido de tratamiento.
• Recocido de alivio de tensiones.
• Esferoidización: Mejora la maquinabilidad del acero con alto contenido de carbono.
• Normalización: Similar al recocido, calentado a 140°F por encima de la línea de austenita y luego enfriado bajo convección natural.
• Templado: Calentar y mantener, templado (enfriado rápidamente), seguido del revenido para eliminar la fragilidad.
• Revenido: Recalentar el acero templado, enfriado por templado, luego recalentado por inmersión en aceite o sales de nitrito, luego después de 2 horas se enfría en aire quieto.

Aleaciones de Acero

• Los metales añadidos alteran las características del acero.
• Templabilidad: cromo, níquel, manganeso, silicio, molibdeno, vanadio.
• Resistencia a la corrosión: cromo, cobre.
• Maquinabilidad: azufre.
• Ductilidad: níquel, silicio.
• Resistencia: cromo.
• El aluminio ayuda a la nitruración y restringe la espuma del grano.
• El azufre añade maquinabilidad, pero reduce la soldabilidad y la ductilidad.
• El cromo aumenta la resistencia a la corrosión y oxidación y aumenta la templabilidad.
• El Níquel fomenta una estructura austenítica, aumenta la templabilidad y aumenta la tenacidad.
• El cobre promueve una película de óxido tenaz para ayudar a la resistencia a la corrosión atmosférica.
• El manganeso aumenta la templabilidad, fomenta una estructura austenítica y se combina con el azufre para reducir sus efectos adversos.
• El silicio elimina el oxígeno en la fabricación del acero, mejora la tenacidad y aumenta la templabilidad.
• El molibdeno promueve el refinamiento del grano, aumenta la templabilidad y mejora la resistencia a altas temperaturas.
• El vanadio promueve el refinamiento del grano, aumenta la templabilidad y se combina con el carbono para formar microconstituyentes resistentes al desgaste.

Acero Estructural

• La ASTM desarrolla especificaciones para el acero en Estados Unidos.
• Formas estructurales laminadas en caliente, placas y barras.
• Especificación: letra A seguida de un número de serie arbitrario.
• El término "calidad" suele especificar el límite elástico, pero a veces se utiliza como requisito de composición química y propiedades mecánicas.
• W, M, S, HP, C y MC se designan con una letra, seguida de dos números separados por "x".
• L se designa con una letra seguida de tres números (dimensiones y grosor de la pata).

Acero Conformado en Frio

• Se utiliza para la estructura estructural de suelos, paredes y techos.
• Tabiques interiores y muro cortina exterior.
• Secciones delgadas: 0.0179 a 0.1180 pulgadas.
• Grados estructurales:
• 33 (H, L, NS)
• 50 (H, L)
• H: alta ductilidad.
• L: baja ductilidad.
• NS: no estructural.
• S: montantes o estructura de viguetas con labios de refuerzo.
• T: sección de vía.
• U: canal laminado en frío.
• F: canal de piel.
• L: ángulo.

Acero de Refuerzo

• Tipos de acero de refuerzo:
• Barras simples.
• Barras deformadas.
• Tejidos de alambre lisos y deformados.
• S: acero facturado (A615).
• I: acero de carril (A616).
• A: acero para ejes (A617).
• W: acero de baja aleación (A706).
• A615: el más utilizado.
• Grados: 40, 60, 75.

Ensayos Mecánicos

• La fabricación afecta a las propiedades de los productos de acero.
• Las pruebas de materiales antes de la fabricación pueden no representar el producto fabricado.
• La especificación de los productos fabricados se desarrolla a partir de las pruebas mecánicas posteriores a la fabricación.
• Un mecanizado o una preparación inadecuados de las muestras darán resultados erróneos.
• Ensayo de tracción (ASTM E8).
• Determina: límite elástico, punto de fluencia, resistencia máxima, alargamiento y reducción de área (relación de Poisson).
• Las probetas típicas son redondas o rectangulares.
• Otros ensayos:
• Torsión (ASTM E143).
• Determinar el módulo de cortante, G.
• Diseñar elementos bajo torsión, ejes giratorios, muelles de compresión helicoidal.
• El par aplicado y el ángulo de giro se miden en una probeta cilíndrica o tubular.
• τ - γ es elástico lineal hasta el límite proporcional.
• G = τ/γ muy similar a E = σ/ε.
• Impacto - Entalla Charpy en V (ASTM E23).
• Medir la tenacidad o la energía de fractura a diferentes temperaturas.
• Probeta rectangular con una entalla en V.
• Máquina Charpy con un péndulo que rompe la probeta.
• La altura del brazo oscilante después de golpear la probeta da la energía necesaria para la fractura.
• Temperatura alta: energía alta (cizalladura = dúctil).
• Temperatura baja: energía baja (escisión = frágil).
• Flexión (ASTM E290).
• Capacidad del acero o de una soldadura para resistir el agrietamiento durante el doblado.
• El acero se dobla a menudo a la forma deseada, especialmente el rebar.
• Doble la probeta a través de un cierto ángulo y hasta un cierto radio interior.
• Dureza - Ensayo de Dureza Rockwell (ASTM E18).
• Mide la resistencia a pequeñas abolladuras y arañazos.
• Necesita una dureza muy alta para muchas piezas y herramientas de máquinas.
• El indentador con resorte (bola de penetración de acero endurecido) se introduce en la superficie del material con una carga y velocidad especificadas.
• La profundidad o el tamaño de la indentación está relacionado con el número de dureza.

Corrosión del Acero

• Destrucción del material por reacción electromecánica con el entorno.
• Electromecánica: Transferencia de electrones de hierro y oxígeno (oxidación-reducción).
• Puede causar graves problemas estructurales.
• Reducción de la sección.
• Estallidos en el hormigón.
• El acero se fabrica utilizando calor para separar las moléculas de oxígeno y hierro del mineral: la corrosión es un proceso natural.
• Ocurre si todos estos elementos están presentes:
• Ánodo: electrodo donde se produce la corrosión (disolución del material) (acero).
• Cátodo: el otro electrodo (reducción de oxígeno) (acero).
• Conductor: una vía metálica (acero).
• Electrolito: un líquido que puede soportar el flujo de electrones (humedad).
• Métodos que proporcionan resistencia a la corrosión:
• Barreras protectoras: Aislar el acero de la atmósfera.
• Protección galvánica: Revestimiento de compuestos de zinc o de zinc-hierro.
• Protección catódica: Para aceros ubicados en agua o en el suelo. Controlar el flujo de corriente entre las superficies anódicas y catódicas. Conectar el acero a una energía electromotriz superior (metales como el zinc o una corriente continua).

Aluminio

• Es el metal más abundante en la tierra (8% de la corteza).
• No se encuentra en su estado puro: óxidos.
• La extracción requiere mucha energía.
• El uso del metal en su forma pura no es estructuralmente viable; se utilizan aleaciones (el término aluminio se utiliza tanto para el aluminio puro como para las aleaciones).
• Segundo metal más producido después del acero.
• 25% en contenedores y embalaje.
• 20% arquitectónico.
• 10% eléctrico.
• 45% bienes industriales, productos de consumo, aeronaves y vehículos de carretera.
• Su utilización para infraestructuras es limitada.

Ventajas del Aluminio

• Es ligero: 1/3 del peso del acero.
• Es un buen conductor eléctrico y térmico.
• Tiene una alta relación resistencia/peso.
• Se le puede dar una superficie dura mediante anodización y revestimientos duros.
• No se oxida.
• Tiene una alta reflectividad.
• Se puede fundir a presión.
• Algunas aleaciones se pueden soldar.
• Se mecaniza fácilmente.
• No es magnético.
• No es tóxico.

Desventajas del Aluminio

• La producción a partir de su mineral es cara: alrededor del 25% procede del reciclaje.
• Su módulo elástico es 1/3 del del acero; las dimensiones estructurales son mayores para compensar.

Metalurgia del Aluminio

• El aluminio es muy maleable (40% de deformación) y tiene una resistencia a la tracción limitada (4000 psi).
• Las aleaciones hacen que el aluminio sea hasta 15 veces más resistente.
• Las aleaciones se designan con códigos de 4 dígitos.
• Los elementos comunes de las aleaciones son el cobre, el manganeso, el silicio, el magnesio y el zinc.
• Las propiedades mecánicas se pueden alterar mediante el endurecimiento (trabajo en frío) y el tratamiento térmico.
• El aluminio desarrolla una fina capa tras la exposición que protege la superficie de una mayor oxidación.
• Las aleaciones alteran la resistencia a la corrosión.
• Protección pintando con una fina capa de aleación resistente a la corrosión.
• La corrosión galvánica se produce cuando está en contacto con otros metales y el agua está presente como conductor eléctrico.