UNIDA Nº 2 Tecnologia

Tecnología de los materiales de la construcciónSantiago Barros Cabrera

Ingeniería Civil- UNLAR

UNIDA Nº 2: Metales y Aleaciones

En el estudio de los materiales de la construcción de la ingeniería civil, nos podemos en encontrar con los metales, que tiene diversas propiedades que podemos aprovechar para la aplicación estructural. Dentro del estudio de los metales, se tiene especial consideración para con las aleaciones metálicas. Dentro de las mismas, la más significativa es que conocemos como acero. Ya que posee ciertas propiedades estructurales que podemos aprovechar en la construcción. Como su aplicación en las armaduras de hormigón. Pero la utilización de este material puede general ciertos inconvenientes si no se realizan los estudios y tratamientos pertinentes sobre este material.

Aleaciones-Acero

Las aleaciones son la unión química de dos elementos, en donde por lo menos uno de ellos debe de ser un metal. Las mismas se clasifican en aleaciones no férreas( de aluminio, magnecio, niquel, cinc, cobre, etc) y las férreas ( basadas en el hierro y el carbono). Estas últimas pueden ser la fundición, que poseen entre un 2 y 6,67 %. O pueden ser también Acero, que se produce por la forja del hierro. Cuando el contenido de carbono es entre el 0, 05 y 2%.

La prouccion del acero se basa en la reduccion de mineral de hierro a lo que nosotros llamamos como “arrabio”. Que luego es refinado para la producción del acero. El Arravio es una mezcla intima fde carbono (que se utiliza para la reducción del oxido de hierro), Piedra caliza (que se utiliza para eliminación de impurezas del melatal) y del propio Mineralel Hierro (que puede ser hematita o magnetita). El arrabion se funde en altos hornos que puede ser de diferentes clases. El mineral de hierro es extraido magnéticamente de la mezcla de arrabio. Durante el proceso de formación del metal liquido, en el mismo, se disuelve oxigeno, para que produzca una reacción

Unidad nº 2: Metales y Aleaciones



química con el carbono(coque) formando dióxido de carbono. Cuando se forma el dióxido de carbono, hay que tener especial cuidado en el momento de no formar burbujas dentro del metal que puede ocasionar falles por fisuras en la pieza terminada. Pera evitar este inconveniente, se utilizan agentes desoxidantes. El dióxido de carbono produce el reducimiento del mineral de hierro al estado líquido.

Tratamientos térmicos del acero

como ya sabemos, las aleaciones de Ferreras general el acero. Los tratamientos térmicos del acero, son procedimientos por los cuales podemos modificar las propiedades del mismo, dependiedo de su composición. Básicamente los tratamientos térmicos del acero se basan en tres estadios. Los cuales son el calentamiento, un proceso a temperatura constante, y un enfriamiento. De acuerdos a como se ejecuten estos pasaos, vamos a tener los diferentes tipos de tratamientos. Estos tratamientos son rigurosamente controlados cuando se llevan a cabo, para evitar fallas en el producto final.

El recocido es un proceso por el cual se refina el grano de acero, para eliminar tensiones internas dentro de la estructura. Dentro de este procedimiento, podemos encontrar diferentes variantes. Una de ellas es el recocido completo que calienta el metal, y lo enfría gradúatele, para la formación de perlitas gruesas con propiedades uniformes. El recocido intermedio consiste en un único cambio de recristalinizacion del material. La dispersión sirve para reducir tensiones residuales. Entre otras variantes, como la de esferoidizacion( mejora la trabajabilidad y la resisencia a la abrasión), o el revenido (que consisten en un enfriamiento brusco).

La Normalización es un proceso similar al recocido, solo que en el mismo se aplican diferentes temperaturas a diferentes volúmenes. El enfriado se produce por convección. Y como resultado se obtiene menos uniformidad en el producto, pero si mayor resistencia a la fractura.

El temple es un proceso en el cuel el enfriamiento se lleva

mediantaun mecanicamo que cambia la estructura del mterial, la cual llamamos




mantensitica(de agujas a tetragonal). Este proceso no provoca diferencia grades de temperatura entre la superficie y el interior del metal. De no ser asi, se podría general grietas en el material. Es por eso, que este procedimiento sedebe llvar con gran exactitutd, para evitar inconvenietes.

La variación de composición es un proceso, que tiene como resultado el aumento de la tenacidad, dureza y resistencia la desgaste, con poco contenido de carbono. Dentro de este proceso, podemos encontrar la cementación (en el cual, se coloca carbono en la superficie del metal), sulfinacion (que es igual al porceso anterior, solo que se coloca azufre) y la cabonitrizacion(que es el mismo proceso que lo anteriores, solo que se utiliza carbono y nitrógeno para la penetración).

El revenido, es un proceso similar al recocido, solo que el enfriamiento se lleva a cabo bruscamente, para que adquiera una estructura de tensiones interna, que son impropias para su empleo. Y como resultado, se obtienen valores de dureza y resistencia elevados, disminuyendo así la ductilidad y la tenacidad.

Aleaciones de acero- acero estructural

Cuando el acero se mezcla con otro metal para modificar sus propiedades, tenemos lo que nosotros llamamos como aleación. De acuerdo al tipo de tratamiento térmico que se efectué sobre el material y el tipo de metal con el que se mezcle, podemos categorizar al acero en de alta aleación (como el acero inoxidable) y de baja aleación (que son una gran cantidad, pero en ellos, lo importante, es conocer el contenido de carbono). Entre las piedades de los aceros aleados, tenemos de alta resistencia a la corrosión, mecanizabilidad, ductilidad y resistencia mecánica.

El acero estructural se empelo en una amplia gama de aplicación ingenieriles a lo largo de la historia. El mismo material posee un amplia variedad de tipos, que se basan en la calidad, clase y forma del metal. Estos últimos influyen en l resistencia a la fluencia, la composición química y las propiedades mecánicas del material. Los acero estructurales especiales, mejoran el rendimiento del metal a un bajo coste económico. Estos aceros especiales de alta calidad se clasifican de acuerdo a su combinación optima de propiedades, distinguiendo entre ellas la 50W (alta resistencia a la corrosión) y la 70W ( alta resistencia a la tracción). Los aceros inoxidables, también son aceros especiales, ya que poseen propiedades mejoradas del acero estructural. Estas propiedades pueden




ser la buena apariencia visual y gran durabilidad, debidas al alto contenido de cromo dentro de la aleación. La gran aplicación estructural de este material, se debe a las lamina y las secciones de acero. Estas últimas están esquematizadas en el siguiente dibujo.

También podes nombrar como elementos estructurales de hacer los elementos de sujeción (de sujetar) que pueden ser los pernos, tuercas y arandelas. En la actualidad sirven para la conexión de elementos estructurales. Estas mismas conexiones se pueden llevar a cabo, mediate impactos o penetracines. Pero hay que tener cuidado con este último apartado. Ya que puede producir cizallaiento en los perfiles, y llevar a la rotura.

Cuando el hormigo, se encuentra sometido a esfuerzos de flexión, es necesario reforzar el mismo, utilizando armaduras de acero. Existen tres formas de fabricarlar las mismas. Y estas varían de acuerdo al empleo que se le den. Las barras de acero normal, sirven para la sujeción exclusiva del hormigón, cuando el mismo trabaja a flaxion. Las baras de acero corrugado son un buen contacto entre la barra y el hormigón. Y las mallas de alambre normales y corrugadas sirven para vigas, losas y pavimento.


Barra de acero normal, corrugado y mallas de alambre



Ensayos sobre el acero

Existen diferentes ensayos sobre este material para estudiar sus propiedades. De acuerdo al ensayo, podemos calcular las propiedades del material.

El primer ensayo es la prueba de tensión a la tracción de la barra de acero. En la misma prueba se coloca una barra en un maquina especial, que comienza a barría la deformación en el grafico de la ley de hooke (véase elasticidad- física 1 ó ley de hooke- resistencia de los materiales). A medida que el esfuezo va aumentando, la deformación del elemento pasa de ser elástica (que puede volver a su forma original) para ser plástica (que se deforma permanentemente). Cuando llega a un punto, el cal llamamos estricción, en algún sector del material se comienza a deformar la sección, produciendo una disminución en la misma. Esta prueba, arroja el siguiente grafico de la ley de hooke.




La línea en el punto E es la tensión de rotura de calculo. Hay que tener en cuenta, que esta tensión no es real, ya que se produce la deformación en la sección, por lo cual, esta misma disminuye, aumentando asi la tensión (línea E’). Pero con fines ingenieriles, vamos a considerando solamente la sección inicial, para el cálculo de la tensión, no teniendo en cuenta, el aumento de la tensión de rotura por efecto de la estricción. El grafico anterior presenta las partes más importantes a considerar en el estudio de los metales.

El contenido de carbono en el acero influye en la ductibilidad y la tensión de rotura del mismo. Al incrementarse el mismo, se produce un mayor aumento en la la tensiones, produciéndose asi el siguiente grafico. En donde la curva A tiene más carbono que la B. Y la B tiene más carbono que la C. pero para un contenido de carbono del 0,19% tenemos una tensión de fluencia de 280 MPa y para un contenido de carbono del 0,9% tenemos una tensión de 620 MPa.

En estos gráficos, podemos definir la tenacidad como

tenacidad=∫ σ dε

Otra prueba que se realiza en las barras de acero, es la prueba de la torsión. El cual se realiza en una maquina especial para esa tarea. De resistencia de materiales, sabemos que el esfuerzo de torsión viene dado por

τ=t . rJ

y la deformación γ=θ . rL

y el

modulo de rigidez G=T maxγ

= t . LθJ

que arroja un grafico de tensión de torsión vs

deformación de la siguiente forma.




La Prueba de impacto es un ensayo que tiene por incógnita la energía necesaria para producir la fractura. El mismo consiste en dejar caer un martillo desde una cierta altura, para poder calcular la energía. A mayor tenacidad del material, se obtendrá mayor expansión en la barra de acero. Y podemos observar los cambios de comportamiento de acuerdo al cambio de temperatura. El mismo cambia de dúctil a frágil según disminuye la temperatura.

Por lo tanto hay que tener en cuenta que a carga constante, pero a variación de temperaturas, se obtiene resultados distintos. Con lo que el modulo de elasticidad aumenta, si aumenta la temperatura con el tiempo. Obteniéndose gráficos de la ley de hooke distintos, para una misma pieza, a diferentes temeraturas.




La prueba de flexión, es otro ensayo. El acero trabajo de mejor forma a este tipo de solicitaciones. Es por eso, que cumple la función de soportar estos esfuerzos en el hormigón armado. El ensayo se puede apreciar en la siguiente imagen.

El ensayo de dureza del acero, consiste en reyar el material con algún otro elemento. Según sea la escala de dureza. La profundidad y el tamaño de la raya, son los índices de estudio del material. La dureza, por si mismo, no es un propiedad importante. Pero ayuda a predecir el comportamiento frente a otras propiedades, como por ejemplo la resistencia mecánica. Para lo cual, existe el grafico de la dureza de brinell.

Existen ensayos ultrasónicos, similares a los radares marítimos. Que sirven para detectar fallas en el material utilizando ondas sonoras.

Soldadura

La soldadura, es una técnica metalúrgica que se utiliza para unir dos piezas de metal, aplicándoles calor. Existen diversos métodos de soldaduras, los cueles solo citaremos, no entraremos en detalles de ellos. Los tres métodos de soldadura más utilizados son los de arco( eléctrico, protegido y sumergido, en los cuales se utilizan fundentes), gas u oxiacetilénicos o con núcleo fundente. Hay que tener cuidado, en la utilización de este método, ya que puede generar tensiones internas en el material.

Corrosión

Es un proceso de destrucción del material por reacciones de oxido reducción electroquímicas. Es muy importante, ya que la misma, provoca la perdida de propiedades del acero. Estas pérdidas se pueden observar en la disminución de lar




esistencia mecánica o la imposibilidad de soportar la flexion. La reacción existe, porque hay una transferencia de electrones entre el hierro y el oxigeno. La formaion del oxido se lleva a cabo en el entrono del material, por lo tanto, hay que tener cuidado con los agentes acelerantes de este proceso en el material, uno de los cuales puede ser el azufre. Al igual que las seldas electrolíticas, la formación del oxido, viene dada por los elementos de la misma. El anodo que produce corroscion, el catodo que actua como la celda de corrosión, el conductor, que cumple la función de hacer fluir los electrones. Estas tres partes de la corrison se encuentra en el acero del material. El electrólito, que es el encargado de permitir el flujo de los electrones, es la humedad.

Los métodos de conbate contra la corrosión consisten en aislas la humedad ambiente del metal. Existen recubrimientos de barreras (pinturas) para evitar el proceso. Y existen tapaporos, que son elememtnso que pueden inihibir la reacción, o sacrfificarse, para evitar que la oxidación se lleve a cabo en el acero.

Agregar, grafico del carbono, flujograma del proceso de fabricación del acero, y un cuadro sinoptico resumiento los tema(no my extenso)


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