acero
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El Acero
Tabla de contenido
C A P Í T U L O 1
Historia del Acero. 2
C A P Í T U L O 2
Proceso de fabricación. 4
La chatarra.
Principios básicos para la obtención
del acero.
Fabricación en horno eléctrico.
Principales reacciones químicas en el
afino.
La colada continua.
La laminación.
El horno de recalentamiento.
El tren de laminación.
C A P Í T U L O 3
Propiedades mecánicas del Acero. 12
Clasificación del Acero.
Composición química del Acero.
Elementos de aleación en los Aceros
– Componentes.
Composición química y designación
de los aceros comunes.
Designación AISI con cuatro
componentes.
Designación AISI con ocho
componentes.
Aceros Especiales.
Aceros Bonificados.
Aceros de Cementación.
Aceros para Resortes.
Aceros al Carbono.
Aceros Refractarios.
Aceros Inoxidables.
Aceros Antiabrasivos.
Tratamientos térmicos del Acero.
Tratamientos termo químicos del
Acero.
C A P Í T U L O 4
Naturaleza cristalina de los
Materiales. 30
C A P Í T U L O 5
Ensayo de tracción. 33
Ensayo de resistencia.
Otros ensayos destructivos y no
destructivos de uso común.
Ensayo de dureza superficial.
Análisis del esfuerzo mecánico.
Transformación del esfuerzo plano.
Esfuerzos principales.
Círculo de Mohr para esfuerzos.
B I L I O G R A F I A
i
Capítulo
1 HISTORIA DEL ACERO Es imposible determinar a ciencia cierta dónde y cómo el hombre descubrió el hierro, pero es cierto que su historia está estrechamente ligada con el desarrollo de la cultura y la civilización. Los metales inician su historia cuando el hombre se siente atraído por su brillo y se da cuenta de que golpeándolos puede darles forma y fabricar así utensilios tan necesarios para su supervivencia.
La humanidad se sucede en Edades, a las que se ha dado nombres de metales, y cuando se cierran las Edades del Cobre y Bronce, a las que se atribuye una duración de 500 a 2000 años, comienza la Edad del Hierro. Con la excepción del aluminio, el hierro se encuentra en la naturaleza en cantidades mayores que cualquier otro metal; se explota con métodos relativamente sencillos, y se puede trabajar y transformar tanto como se quiera. La razón del retraso en la aparición del hierro respecto al bronce hay que buscarla en el elevado punto de fusión del hierro puro, lo que hacía prácticamente imposible que una vez tratados sus minerales se pudiese ofrecer en forma líquida, separado de la escoria. La humanidad se sucede en Edades, a las que se ha dado nombres de metales, y cuando se cierran las Edades del Cobre y Bronce, a las que se atribuye una duración de 500 a 2000 años, comienza la Edad del Hierro.
Con la excepción del aluminio, el hierro se encuentra en la naturaleza en cantidades mayores que cualquier otro metal; se explota con métodos relativamente sencillos, y se puede trabajar y transformar tanto como se quiera. La razón del retraso en la aparición del hierro respecto al bronce hay que buscarla en el elevado punto de fusión del hierro puro, lo que hacía prácticamente imposible que una vez tratados sus minerales se pudiese ofrecer en forma líquida, separado de la escoria. Las primeras producciones se obtuvieron seguramente rodeando al mineral totalmente con carbón de leña con el que no era posible alcanzar la temperatura suficiente para fundir el metal, obteniéndose en su lugar una masa esponjosa y pastosa, mezcla de hierro y escoria, que había que martillear repetidamente al rojo vivo para eliminar la escoria y las impurezas.
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Este martilleo producía dos efectos, por un lado conseguía obtener un hierro puro al eliminar las escorias e impurezas, endureciéndolo por forja al mismo tiempo. Se obtenían así barras de hierro forjado resistente y maleable, que no eran otra cosa que un tipo muy primitivo de acero. La evolución tecnológica orientó sus esfuerzos en tratar de aumentar la temperatura a la que se sometía al mineral de hierro, por medio de la utilización de hornos en los que se introducía una mezcla de mineral y carbón vegetal, lo que se traducía en un aumento de
producción y en la lógica economía del sistema. Sin embargo, cuando estos hornos se calentaban en exceso el mineral pasaba de la forma pastosa a la líquida pero con un contenido en carbono tan alto que no permitía la forja. Este producto era en principio no aprovechable, y requería un “afino”, término que se ha conservado hasta hoy en día y que se emplea para describir el proceso de transformación del hierro colado al acero.
Con el paso del tiempo, se fue comprobando que la obtención accidental del hierro colado no era una desgracia, sino que por el contrario se trataba de una materia prima mejor para obtener posteriormente el acero, con todas las ventajas técnicas y económicas que implica el proceso. Para llegar a este punto fue preciso recorrer tres etapas fundamentales. La primera fue la sustitución del carbón de leña por la hulla y, más concretamente, por el coque. La segunda consistió en ir aumentando la altura de los hornos, gracias a las características resistentes del coque que permitía aumentar la carga de éstos y, en consecuencia, su producción. Y la tercera etapa recogería el conjunto de mejoras e innovaciones conducentes a avivar la combustión del horno, primero mediante el aumento de la ventilación y, posteriormente, mediante el calentamiento del aire soplado. El resultado final daría paso a la tecnología de los actuales hornos altos.
En 1855 se produce un hecho trascendental en la producción y el futuro del acero: el invento del convertidor ideado por Henry Bessemer, que supuso el paso revolucionario de la obtención del acero a partir del hierro producido en el alto horno. Este invento trascendental se completa por Thomas en 1873, al conseguir convertir el hierro colado, de alto contenido en fósforo, en acero de alta calidad mediante un convertidor con recubrimiento básico. A partir de entonces las innovaciones en la producción del acero se han ido sucediendo hasta nuestros días, gracias a la participación de figuras como las de Martín, Siemens, Héroult, los técnicos de Linz y Donawitz y tantos otros.
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Capítulo
2 PROCESO DE FABRICACIÓN
Introducción El hierro en estado puro no posee la resistencia y dureza necesarias para las aplicaciones de uso común. Sin embargo, cuando se combina con pequeñas cantidades de carbono se obtiene un metal denominado acero, cuyas propiedades varían en función de su contenido en carbono y de otros elementos en aleación, tales como el manganeso, el cromo, el silicio o el aluminio, entre otros. El acero se puede obtener a partir de dos materias primas fundamentales:
• el arrabio, obtenido a partir de mineral en instalaciones dotadas de horno alto (proceso integral);
• las chatarras férricas,
que condicionan el proceso de fabricación. En líneas generales, para fabricar acero a partir de arrabio se utiliza el convertidor con oxígeno, mientras que partiendo de chatarra como única materia prima se utiliza exclusivamente el horno eléctrico (proceso electrosiderúrgico).
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La Chatarra
Tras el proceso de reconversión industrial de la siderurgia en España se abandona la vía del horno alto y se apuesta de forma decidida por la obtención de acero a través de horno eléctrico. En este proceso, la materia prima es la chatarra, a la que se le presta una especial atención, con el fin de obtener un elevado grado de calidad de la misma. Para ello, la chatarra es sometida a unos severos controles e inspecciones por parte del fabricante de acero, tanto en su lugar de origen como en el momento de la recepción del material en fábrica.
La calidad de la chatarra depende de tres factores:
• de su facilidad para ser cargada en el horno;
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• de su comportamiento de fusión (densidad de la chatarra, tamaño, espesor, forma, etc.);
• de su composición, siendo fundamental la presencia de elementos residuales que sean difíciles de eliminar en el proceso del horno.
Atendiendo a su procedencia, la chatarra se puede clasificar en tres grandes grupos:
• Chatarra reciclada: formada por despuntes, rechazos, etc. originados en la propia fábrica. Se trata de una chatarra de excelente calidad.
• Chatarra de transformación: producida durante la fabricación de piezas y componentes de acero (virutas de máquinas herramientas, recortes de prensas y guillotinas, etc.).
• Chatarra de recuperación: suele ser la mayor parte de la chatarra que se emplea en la acería y procede del desguace de edificios con estructura de acero, plantas industriales, barcos, automóviles, electrodomésticos, etc.
Los controles a los que se somete la chatarra se producen en tres niveles:
• Inspección en origen por parte de personal especializado. • Inspección visual en el momento de la descarga en puerto para material importado. • Control de recepción en fábrica de forma exhaustiva por unidad de transporte, con
independencia de la procedencia del material (nacional o importado), con el fin de eliminar todo elemento nocivo, materias explosivas o inflamables, material radiactivo, así como de todos aquellos metales no férreos, tierras, cuerpos extraños, etc.
Principios básicos para la obtención del acero
La obtención del acero pasa por la eliminación de las impurezas que se encuentran en el arrabio o en las chatarras, y por el control, dentro de unos límites especificados según el tipo de acero, de los contenidos de los elementos que influyen en sus propiedades. Las reacciones químicas que se producen durante el proceso de fabricación del acero requieren temperaturas superiores a los 1000 ºC para poder eliminar las sustancias perjudiciales, bien en forma gaseosa o bien trasladándolas del baño a la escoria.
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Fabricación en horno eléctrico
La fabricación del acero en horno eléctrico se base en la fusión de las chatarras por medio de una corriente eléctrica, y al afino posterior del baño fundido.
El horno eléctrico
El horno eléctrico consiste en un gran recipiente cilíndrico de chapa gruesa (15 a 30 mm de espesor) forrado de material refractario que forma la solera que alberga el baño de acero líquido y escoria. El resto del horno está formado por paneles refrigerados por agua. La bóveda es desplazable para pla carga de la chatarra a través de unas cestas adecuadaLa bóveda esintroducen los electrodos, generalmente tres, que son gruesas barras de grafito de hasta 700 mm de diámetroelectrodos se desplazan de forma que se puede regular su distancia a la carga a medida que se van consumiendo. Los electrodos están conectados a un transformador queproporciona unas condiciones de voltaje e intensidad adecuadas para hacer saltar el arco, con intensidad vaen función de la fase de operación del horno. Otro orificio practicado en la bóveda permite lahumos, que son depurados convenientemente para evitar contaminar la atmósfera. El horno va montado sobre una estructura oscilante que le permite bascular para proceder al sangrado de la escoria y el vaciado del baño.
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tá dotada de una serie de orificios por los que se
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Proceso de fabricación del acero
El proceso de fabricación se divide básicamente en dos fases: la fase de fusión y la fase de afino. Fase de fusión
Una vez introducida la chatarra en el horno y los agentes reactivos y escorificantes (principalmente cal) se desplaza la bóveda hasta cerrar el horno y se bajan los electrodos hasta la distancia apropiada, haciéndose saltar el arco hasta fundir completamente los materiales cargados. El proceso se repite hasta completar la capacidad del horno, constituyendo este acero una colada.
Fase de afino
El afino se lleva a cabo en dos etapas. La primera en el phorno y la segunda en un horno cuchara. En el primer afino se analiza la composición del baño fundido y se procede a la eliminación de impurezas y elementos indeseables (silicio, manganeso, fósforo, etc.) y realizar un primer ajuste de la composición química por medio de la adición de ferroaleaciones que
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contienen los elementos necesarios (cromo, níquel, molibdeno, vanadio, titanio, etc.). El acero obtenido se vacía en una cuchara de colada, revestida de material refractario, que hace la función de cuba de un segundo horno de afino en el que termina de ajustarse la composición del acero y de dársele la temperatura adecuada para la siguiente fase en el proceso de fabricación.
Principales reacciones químicas en el afino
Elemento Forma de eliminación Reacción química
Carbono
Al combinarse con el oxígeno se quema dando lugar a y
gaseoso que se elimina a través de los humos.
Manganeso Se oxida y pasa a la escoria.
Combinado con sílice da lugar a silicatos.
Silicio Se oxida y pasa a la escoria.
Forma silicatos
Fósforo
En una primera fase se oxida y pasa a la escoria.
En presencia de carbono y altas temperaturas puede revertir al
baño. Para fijarlo a la escoria se añade cal formándose fosfato de calcio.
Azufre
Su eliminación debe realizarse mediante el aporte de cal, pasando a la escoria en forma de sulfuro de calcio. La presencia de manganeso
favorece la desulfuración.
El control del proceso
Para obtener un acero de calidad el proceso debe controlarse en todas sus fases empezando, como ya se ha comentado, por un estricto control de las materias primas cargadas en el horno. Durante el proceso se toman varias muestras del baño y de las escorias para comprobar la marcha del afino y poder ir ajustando la composición del acero. Para ello se utilizan técnicas instrumentales de análisis (espectómetros) que permiten obtener resultados en un corto espacio de tiempo, haciendo posible un control a tiempo real y la adopción de las correcciones precisas de forma casi instantánea, lográndose así la composición química deseada. Los dos elementos que más pueden influir en las características y propiedades del acero obtenido, el carbono y el azufre, se controlan de forma adicional mediante un aparato de combustión LECO. Pero además de la composición del baño y de la escoria, se controla de forma rigurosa la temperatura del baño, pues es la que determina las condiciones y la velocidad a la que se producen las distintas reacciones químicas durante el afino.
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La colada continua
Finalizado el afino la cuchara de colada se lleva hasta la artesa receptora de la colada continua donde vacía su contenido en una artesa receptora dispuesta al efecto. La colada continua es un procedimiento siderúrgico en el que el acero se vierte directamente en un molde de fondo desplazable, cuya sección transversal tiene la forma geométrica del semiproducto que se desea fabricar; en nuestro caso la palanquilla. La artesa receptora tiene un orificio de fondo, o buza, por el que distribuye el acero líquido en varias líneas de colada, cada una de las cuales dispone de su lingotera o molde, generalmente de cobre y paredes huecas para permitir su refrigeración con agua, que sirve para dar forma al producto. Durante el proceso la lingotera se mueve alternativamente hacia arriba y hacia abajo, con el fin de despegar la costra sólida que se va formando durante el enfriamiento.
Posteriormente se aplica un sistema de enfriamiento controlado por medio de duchas de agua fría primero, y al aire después, cortándose el semiproducto en las longitudes deseadas mediante sopletes que se desplazan durante el corte. En todo momento el semiproducto se encuentra en movimiento continuo gracias a los rodillos de arrastre dispuestos a los largo de todo el sistema. Finalmente, se identifican todas las palanquillas con el número de referencia de la colada a la que pertenecen, como parte del sistema implantado para determinar la trazabilidad del producto, vigilándose la cuadratura de su sección, la sanidad interna, la ausencia de defectos externos y la longitud obtenida.
La laminación
Las palanquillas no son utilizables directamente, debiendo transformarse en productos comerciales por medio de la laminación o forja en caliente. De forma simple, podríamos describir la laminación como un proceso en el que se hace pasar al semiproducto (palanquilla) entre dos rodillos o cilindros, que giran a la misma velocidad y en sentidos contrarios, reduciendo su sección transversal gracias a la presión ejercida por éstos. En este proceso se aprovecha la ductilidad del acero, es decir, su capacidad de deformarse, tanto mayor cuanto mayor es su temperatura. De ahí que la laminación en caliente se realice a temperaturas comprendidas entre 1.250 ºC, al inicio del proceso, y 800 ºC al final del mismo. La laminación sólo permite obtener productos de sección constante, como es el caso de las barras corrugadas.
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El horno de recalentamiento
El proceso comienza elevando la temperatura de las palanquillas hasta un valor óptimo para ser introducidas en el tren de laminación. Generalmente estos hornos son de gas y en ese distingues tres zonas: de precalde calentamiento y de homogeneización. Ede las palanquillas de una zona a otra se realiza por medio de distintos dispositivos de avance. La atmósfera en el interior del horno es oxidancon el fin de reducir al máximo la formación cascarilla.
llos entamiento,
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El tren de laminación
Alcanzada la temperatura deseada en toda la masa de la palanquilla, ésta es conducida a través de un camino de rodillos hasta el tren de laminación. El tren de laminación está formado, como se ha indicado, por parejas de cilindros que van reduciendo la sección de la palanquilla. Primero de la forma cuadrada a forma de óvalo, y después de forma de óvalo a forma redonda. A medida que disminuye la sección, aumenta la longitud del producto transformado y, por tanto, la velocidad de laminación. El tren se controla de forma automática, de forma que la velocidad de las distintas cajas que lo componen va aumentando en la misma proporción en la que se redujo la sección en la anterior.
El tren de laminación se divide en tres partes:
• Tren de desbaste: donde la palanquilla sufre una primera pasada muy ligera para romper y eliminar la posible capa de cascarilla formada durante su permanencia en el horno.
• Tren intermedio: formado por distintas cajas en las que se va conformando por medio de sucesivas pasadas la sección.
• Tren acabador: donde el producto experimenta su última pasada y obtiene su geometría de corrugado.
Las barras ya laminadas se depositan en una gran placa o lecho de enfriamiento, de donde es trasladado a las líneas de corte a medida y empaquetado, de donde pasa a la zona de almacenamiento y expedición. En el caso de la laminación de rollos, éstos salen del tren acabador en forma de espira, siendo transportados por una cinta enfriadora, desde la que van siendo depositadas en un huso, donde se compacta y se ata para su expedición, o bien se lleva a una zona de encarretado, donde se forman bobinas en carrete.
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Durante la laminación se controlan los distintos parámetros que determinarán la calidad del producto final: la temperatura inicial de las palanquillas, el grado de deformación de cada pasada —para evitar que una deformación excesiva de lugar a roturas o agrietamientos del material—, así como el grado de reducción final, que define el grado de forja, y sobre todo el sistema Temcore de enfriamiento controlado.
Del producto final se toman las muestras necesarias para ser sometidas a los ensayos de caracterización mecánica (tracción, doblado-desdoblado, fatiga y carga cíclica) y geométrica que les son de aplicación en función de las especificaciones establecidas por la norma conforme a la que ha sido fabricado.
En todo momento se conserva la trazabilidad del sistema, puesto que el material en rollo o en barra obtenido queda siempre identificado con la colada de la que procede, y el momento de su laminación.
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PROPIEDADES MECÁNICAS DEL ACERO.
Capítulo
3 El hierro proviene principalmente del mineral hematites(Fe2O3) u óxido férrico. En los altos hornos se trata con carbón para quitarle el oxígeno y liberar el metal de hierro o arrabio. En el proceso se forma dióxido de carbono(CO2). También se le añade caliza(CaCO3,carbonato de calcio) para liberar las impurezas de sílice(SiO2, dióxido de silicio)contenidas en el mineral.
• Resistencia al desgaste.
Es la resistencia que ofrece un material a dejarse erosionar cuando esta en contacto de fricción con otro material.
• Tenacidad.
Es la capacidad que tiene un material de absorber energía sin producir Fisuras (resistencia al impacto).
• Maquinabilidad.
Es la facilidad que posee un material de permitir el proceso de mecanizado por arranque de viruta.
• Dureza.
Es la resistencia que ofrece un acero para dejarse penetrar. Se mide en unidades BRINELL (HB) ó unidades ROCKWEL C (HRC), mediante test del mismo nombre. El hierro se produce silicato de calcio, llamado también escoria. El hierro y la escoria se separan por gravedad, ya que la escoria es menos densa y flota sobre el metal. El Acero es una mezcla de metales(aleación) formada por varios elementos químicos, principalmente hierro y carbón como componente minoritario(desde el 0,25% hasta el 1,5% en peso). El acero inoxidable se caracteriza por su alta resistencia a la corrosión. Es una mezcla de metales(aleación), formada por hierro p. Los cuatro tipos principales de acero inoxidable son: 1. Austenitic: es el tipo de acero inoxidable más usado, con un contenido mínimo de níquel del 7%. 2. Ferritic: tiene características similares al acero suave pero con mejor resistencia a la corrosión. El contenido en cromo varia del 12% al 17% en peso.3. Duplex: Es una mezcla del ferritic y austenitic. Incrementa su resitencia y ductilidad. 4. El acero inoxidable de Martensitic contiene cromo entre el 11 hasta el 13% , es fuerte y duro y resistencia moderada a la corrosión. .
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CLASIFICACIÓN DEL ACERO.
Los diferentes tipos de acero se agrupan en cinco clases principales: aceros al carbono, aceros aleados, aceros de baja aleación ultrarresistentes, aceros inoxidables y aceros de herramientas.
Aceros al carbono.
Más del 90% de todos los aceros son aceros al carbono. Estos aceros contienen diversas cantidades de carbono y menos del 1,65% de manganeso, el 0,60% de silicio y el 0,60% de cobre.
Entre los productos fabricados con aceros al carbono figuran máquinas, carrocerías de automóvil, la mayor parte de las estructuras de construcción de acero, cascos de buques, somieres y horquillas o pasadores para el pelo.
Aceros aleados.
Estos aceros contienen una proporción determinada de vanadio, molibdeno y otros elementos, además de cantidades mayores de manganeso, silicio y cobre que los aceros al carbono normales. Estos aceros se emplean, por ejemplo, para fabricar engranajes y ejes de motores, patines o cuchillos de corte.
Aceros de baja aleación ultrarresistentes.
Esta familia es la más reciente de las cinco grandes clases de acero. Los aceros de baja aleación son más baratos que los aceros aleados convencionales ya que contienen cantidades menores de los costosos elementos de aleación. Sin embargo, reciben un tratamiento especial que les da una resistencia mucho mayor que la del acero al carbono. Por ejemplo, los vagones de mercancías fabricados con aceros de baja aleación pueden transportar cargas más grandes porque sus paredes son más delgadas que lo que sería necesario en caso de emplear acero al carbono. Además, como los vagones de acero de baja aleación pesan menos, las cargas pueden ser más pesadas. En la actualidad se construyen muchos edificios con estructuras de aceros de baja aleación. Las vigas pueden ser más delgadas sin disminuir su resistencia, logrando un mayor espacio interior en los edificios. Aceros inoxidables Los aceros inoxidables
contienen cromo, níquel y otros elementos de aleación, que los mantienen brillantes y resistentes a la herrumbre y oxidación a pesar de la acción de la humedad o de ácidos y gases corrosivos. Algunos aceros inoxidables son muy duros; otros son muy resistentes y mantienen esa resistencia durante largos periodos a temperaturas extremas. Debido a sus superficies brillantes, en arquitectura se emplean muchas veces con fines decorativos. El acero inoxidable se utiliza para las tuberías y tanques de refinerías de petróleo o plantas químicas, para los fuselajes de los aviones o para cápsulas espaciales. También se usa para fabricar instrumentos y equipos quirúrgicos, o para fijar o sustituir huesos rotos, ya que resiste a la acción de los fluidos corporales. En cocinas y zonas de preparación de alimentos los utensilios son a menudo de acero inoxidable, ya que no oscurece los alimentos y pueden limpiarse con facilidad.
Aceros de herramientas.
Estos aceros se utilizan para fabricar muchos tipos de herramientas y cabezales de corte y modelado de máquinas empleadas en diversas operaciones de fabricación. Contienen volframio,
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molibdeno y otros elementos de aleación, que les proporcionan mayor resistencia, dureza y durabilidad.
COMPOSICION DEL ACERO
Acero es una aleación de hierro y carbono que contiene otros elementos de aleación, los cuales le confieren propiedades mecánicas especificas para su utilización en la industria metalmecánica. Aunque el Carbono es el elemento básico a añadir al Hierro, los otros elementos, según su porcentaje, ofrecen características especificas para determinadas aplicaciones, como herramientas, cuchillas, soportes, etc.
ELEMENTOS DE ALEACION EN LOS ACEROS – COMPONENTES
Aluminio - Al :
EL Aluminio es usado principalmente como desoxidante en la elaboración de acero. El Aluminio también reduce el crecimiento del grano al formar óxidos y nitruros.
Azufre - S :
El Azufre se considera como un elemento perjudicial en las aleaciones de acero, una impureza. Sin embargo, en ocasiones se agrega hasta 0.25% de azufre para mejorar la maquinabilidad. Los aceros altos en azufre son difíciles de soldar pueden causar porosidad en las sodaduras.
Carbono - C :
El Carbón - Carbono es el elemento de aleación mas efectivo, eficiente y de bajo costo. En aceros enfriados lentamente, el carbón forma carburo de hierro y cementita, la cual con la ferrita forma a su vez la perlita. Cuando el acero se enfría mas rápidamente, el acero al carbón muestra endurecimiento superficial. El carbón es el elemento responsable de dar la dureza y alta resistencia del acero.
Boro - B :
El Boro logra aumentar la capacidad de endurecimiento cuando el acero esta totalmente desoxidado. Una pequeña cantidad de Boro, (0.001%) tiene un efecto marcado en el endurecimiento del acero, ya que también se combina con el carbono para formar los carburos que dan al acero características de revestimiento duro.
Cobalto - Co :
El Cobalto es un elemento poco habitual en los aceros, ya que disminuye la capacidad de endurecimiento. Sin embargo, se puede usar en aplicaciones donde se requiere un revestimiento duro para servicio a alta temperatura, ya que produce una gran cantidad de solución sólida endurecedora, cuando es disuelto en ferrita o austenita.
Cobre - Cu :
El Cobre aumenta la resistencia a la corrosión de aceros al carbono.
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Cromo - Cr :
El Cromo es un formador de ferrita, aumentando la profundidad del endurecimiento. Asi mismo, aumenta la resistencia a altas temperaturas y evita la corrosión. El Cromo es un elemento principal de aleación en aceros inoxidables, y debido a su capacidad de formar carburos se utiliza en revestimientos o recubrimientos duros de gran resistencia al desgaste, como émbolos, ejes, etc.
Fósforo - P :
Fósforo se considera un elemento perjudicial en los aceros, casi una impureza, al igual que el Azufre, ya que reduce la ductilidad y la resistencia al impacto. Sin embargo, en algunos tipos de aceros se agrega deliberadamente para aumentar su resistencia a la tensión y mejorar la maquinabilidad.
Manganeso - Mn :
El Manganeso es uno de los elementos fundamentales e indispensables, esta presente en casi todas las aleaciones de acero. El Manganeso es un formador de austenita, y al combinarse con el azufre previene la formación de sulfuro de hierro en los bordes del grano, altamente perjudicial durante el proceso de laminación. El Manganeso se usa para desoxidar y aumentar su capacidad de endurecimiento.
Molibdeno - Mo :
El Molibdeno también es un elemento habitual, ya que aumenta mucho la profundidad de endurecimiento del acero, así como su resistencia al impacto. El Molibdeno es el elemento mas efectivo para mejorar la resistencia del acero a las bajas temperaturas, reduciendo, además, la perdida de resistencia por templado. Los aceros inoxidables austeíticos contienen Molibdeno para mejorar la resistencia a la corrosión.
Nitrógeno - N :
El Nitrógeno puede agregarse a algunos tipos de acero, para promover la formación de austenita. También, para reducir la cantidad de Níquel en los aceros inoxidables. El Nitrógeno afecta las propiedades mecánicas del acero.
Niquel - Ni :
Es el principal formador de austenita, que aumenta la tenacidad y resistencia al impacto. El Níquel se utiliza mucho en los aceros inoxidables, para aumentar la resistencia a la corrosión. El Níquel ofrece propiedades únicas para soldar Fundición.
Plomo - Pb :
El Plomo es un ejemplo de elemento casi insoluble en Hierro. Se añade plomo a muchos tipos de acero para mejorar en gran manera su maquinabilidad.
Titanio - Ti :
Básicamente, el Titanio se utiliza para estabilizar y desoxidar acero, aunque debido a sus propiedades, pocas veces se usa en soldaduras.
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Tungsteno - W :
El Tungsteno se añade para impartir gran resistencia a alta temperatura. El Tungsteno también forma carburos, que son excepcionalmente duros, dando al acero una gran resistencia al desgaste, para aplicaciones de revestimiento duro o en acero para la fabricación de herramientas.
Vanadio - V :
El Vanadio facilita la formación de grano pequeño y reduce la perdida de resistencia durante el templado, aumentando por lo tanto la capacidad de endurecimiento. Asi mismo, es un formador de carburos que imparten resistencia al desgaste en aceros para herramientas, herramientas de corte, etc.
Composición química y designación de los aceros comunes
Existen dos formas de identificar los aceros: la primera es a través de su composición química, por ejemplo utilizando la norma AISI:
Nº AISI: Descripción Ejemplo
10XX Son aceros sin aleación con 0,XX % de C (1010; 1020; 1045)
41XX Son aceros aleados con Mn, Si, Mo y Cr (4140)
51XX Son aceros aleados con Mn, Si y C (5160)
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Nº SAE o AISI
Resistencia a la tracción
Rm
Límite de fluencia
Re Alargamiento
en 50 mm Dureza Brinell
Kgf / mm2 Mpa Kgf/mm2 Mpa % 1010 40,0 392,3 30,2 292,2 39 109 1015 42,9 420,7 32,0 313,8 39 126 1020 45,8 449,1 33,8 331,5 36 143 1025 50,1 491,3 34,5 338,3 34 161 1030 56,3 552,1 35,2 345,2 32 179 1035 59,8 586,4 38,7 377,5 29 190 1040 63,4 621,7 42,2 413,8 25 201 1045 68,7 673,7 42,2 413,8 23 215 1050 73,9 724,7 42,2 413,8 20 229 1055 78,5 769,8 45,8 449,1 19 235 1060 83,1 814,9 49,3 483,5 17 241 1065 87,0 853,2 51,9 509,0 16 254 1070 90,9 891,4 54,6 535,4 15 267 1075 94,7 928,7 57,3 560,9 13 280 1080 98,6 966,9 59,8 586,4 12 293
Designación AISI con cuatro componentes
Designación AISI C Mn P (max) S (max) NO RESULFURIZADOS MÁXIMO DE MANGANESO: 1,00 %
1005 0,06 max 0,35 max 0,040 0,050 1006 0,08 max 0,25 - 0,40 0,040 0,050 1008 0,10 max 0,30 - 0,50 0,040 0,050 1010 0,08 - 0,13 0,30 - 0,60 0,040 0,050 1012 0,10 - 0,15 0,30 - 0,60 0,040 0,050 1015 0,13 - 0,18 0,30 - 0,60 0,040 0,050 1016 0,13 - 0,18 0,60 - 0,90 0,040 0,050 1017 0,15 - 0,20 0,30 - 0,60 0,040 0,050 1018 0,15 - 0,20 0,60 - 0,90 0,040 0,050 1019 0,15 - 0,20 0,70 - 1,00 0,040 0,050 1020 0,18 - 0,23 0,30 - 0,60 0,040 0,050 1021 0,18 - 0,23 0,60 - 0,90 0,040 0,050
17
Designación AISI C Mn P (max) S (max) 1022 0,18 - 0,23 0,70 - 1,00 0,040 0,050 1023 0,20 - 0,25 0,30 - 0,60 0,040 0,050 1025 0,22 - 0,28 0,30 - 0,60 0,040 0,050 1026 0,22 - 0,28 0,60 - 0,90 0,040 0,050 1029 0,25 - 0,31 0,60 - 0,90 0,040 0,050 1030 0,28 - 0,34 0,60 - 0,90 0,040 0,050 1035 0,32 - 0,38 0,60 - 0,90 0,040 0,050 1037 0,32 - 0,38 0,70 - 1,00 0,040 0,050 1038 0,35 - 0,42 0,60 - 0,90 0,040 0,050 1039 0,37 - 0,44 0,70 - 1,00 0,040 0,050 1040 0,37 - 0,44 0,60 - 0,90 0,040 0,050 1042 0,40 - 0,47 0,60 - 0,90 0,040 0,050 1043 0,40 - 0,47 0,70 - 1,00 0,040 0,050 1044 0,43 - 0,50 0,30 - 0,60 0,040 0,050 1045 0,43 - 0,50 0,60 - 0,90 0,040 0,050 1046 0,43 - 0,50 0,70 - 1,00 0,040 0,050 1049 0,46 - 0,53 0,60 - 0,90 0,040 0,050 1050 0,48 - 0,55 0,60 - 0,90 0,040 0,050 1053 0,48 - 0,55 0,70 - 1,00 0,040 0,050 1055 0,50 - 0,60 0,60 - 0,90 0,040 0,050 1059 0,55 - 0,65 0,50 - 0,80 0,040 0,050 1060 0,55 - 0,65 0,60 - 0,90 0,040 0,050 1064 0,60 - 0,70 0,50 - 0,80 0,040 0,050 1065 0,60 - 0,70 0,60 - 0,90 0,040 0,050 1069 0,65 - 0,75 0,40 - 0,70 0,040 0,050 1070 0,65 - 0,75 0,60 - 0,90 0,040 0,050 1078 0,72 - 0,85 0,30 - 0,60 0,040 0,050 1080 0,75 - 0,88 0,60 - 0,90 0,040 0,050 1084 0,80 - 0,93 0,60 - 0,90 0,040 0,050 1086 0,80 - 0,93 0,30 - 0,50 0,040 0,050 1090 0,85 - 0,98 0,60 - 0,90 0,040 0,050 1095 0,90 - 1,03 0,30 - 0,50 0,040 0,050
ACEROS AL CARBONO CON ALTO CONTENIDO DE MANGANESO
1013 0,10 - 0,16 1,10 - 1,40 0,040 0,050 1022 0,18 - 0,24 1,10 - 1,40 0,040 0,050 1024 0,19 - 0,25 1,35 - 1,65 0,040 0,050 1026 0,22 - 0,29 1,10 - 1,40 0,040 0,050
18
1027 0,22 - 0,29 1,20 - 1,50 0,040 0,050 1041 0,36 - 0,44 1,35 - 1,65 0,040 0,050 1048 0,44 - 0,52 1,10 - 1,52 0,040 0,050
Designación AISI C Mn P (max) S (max) 1051 0,45 - 0,56 0,85 - 1,56 0,040 0,050 1052 0,47 - 0,55 1,20 - 1,55 0,040 0,050 1061 0,55 - 0,65 0,75 - 1,65 0,040 0,050 1066 0,60 - 0,71 0,85 - 1,71 0,040 0,050
ACEROS RESULFURIZADOS (de fácil labrado) 1108 0,08 - 0,13 0,50 - 0,80 0,040 0,08-0,13 1109 0,08 - 0,13 0,60 - 0,90 0,040 0,08-0,13 1117 0,14 - 0,20 1,00 - 1,30 0,040 0,08-0,13 1118 0,14 - 0,20 1,30 - 1,60 0,040 0,08-0,13 1119 0,14 - 0,20 1,00 - 1,30 0,040 0,24-0,33 1132 0,27 - 0,14 1,35 - 1,65 0,040 0,08-0,13 1137 0,32 - 0,39 1,35 - 1,65 0,040 0,08-0,13 1139 0,35 - 0,43 1,35 - 1,65 0,040 0,13-0,20 1140 0,37 - 0,44 0,70 - 1,00 0,040 0,08-0,13 1141 0,37 - 0,45 1,35 - 1,65 0,040 0,08-0,13 1144 0,40 - 0,48 1,35 - 1,65 0,040 0,24-0,33 1145 0,42 - 0,49 0,70 - 1,00 0,040 0,04-0,07 1146 0,42 - 0,49 0,70 - 1,00 0,040 0,08-0,13 1151 0,80 - 0,55 0,70 - 1,00 0,040 0,08-0,13
ACEROS REFOSFORADOS Y RESULFURIZADOS 1110 0,08 - 0,13 0,30 - 0,60 0,04 máx 0,08-0,13 1211 0,13 máx 0,60 - 0,90 0,07-0,012 0,10-0,15 1212 0,13 máx 0,07 - 1,00 0,07-0,012 0,16-0,23 1213 0,13 máx 0,70 - 1,00 0,07-0,012 0,24-0,33 1216 0,14 - 0,20 1,10 - 1,40 0,04 máx 0,16-0,23 1215 0,09 máx 0,75 - 1,05 0,04-0,09 0,26-0,35
12L14 0,15 máx 0,85 - 1,15 0,04-0,09 0,26-0,35
Designación AISI con ocho componentes
Designación AISI C Mn P (max) S (max) Si Ni Cr Mo 1330 0,28 - 0,33 1,60 - 1,90 0,035 0,040 0,15 - 0,35
1335 0,33 - 0,38 1,60 - 1,90 0,035 0,040 0,15 - 0,35
1340 0,38 - 0,43 1,60 - 1,90 0,035 0,040 0,15 - 0,35
19
1345 0,43 - 0,48 1,60 - 1,90 0,035 0,040 0,15 - 0,35
4023 0,20 - 0,25 0,70 - 0,90 0,035 0,040 0,15 - 0,35 0,20 - 0,30
4024 0,20 - 0,25 0,70 - 0,90 0,035 0,035 0,15 - 0,35 0,20 - 0,30
Designación AISI C Mn
P (max)
S (max) Si Ni Cr Mo
4027 0,25 - 0,30 0,70 - 0,90 0,035 0,040 0,15 - 0,35 0,20 - 0,30
4028 0,25 - 0,30 0,70 - 0,90 0,035 0,035 0,15 - 0,35 0,20 - 0,30
4037 0,35 - 0,40 0,70 - 0,90 0,035 0,040 0,15 - 0,35 0,20 - 0,30
4047 0,45 - 0,50 0,70 - 0,90 0,035 0,040 0,15 - 0,35 0,20 - 0,30
4118 0,18 - 0,23 0,70 - 0,90 0,035 0,040 0,15 - 0,35 0,40 - 0,60 0,08 - 0,15
4130 0,28 - 0,33 0,40 - 0,60 0,035 0,040 0,15 - 0,35 0,80 - 1,10 0,15 - 0,25
4137 0,35 - 0,40 0,70 - 0,90 0,035 0,040 0,15 - 0,35 0,80 - 1,10 0,15 - 0,25
4140 0,38 - 0,43 0,75 - 1,00 0,035 0,040 0,15 - 0,35 0,80 - 1,10 0,15 - 0,25
4142 0,40 - 0,45 0,75 - 1,00 0,035 0,040 0,15 - 0,35 0,80 - 1,10 0,15 - 0,25
4145 0,43 - 0,48 0,75 - 1,00 0,035 0,040 0,15 - 0,35 0,80 - 1,10 0,15 - 0,25
4147 0,45 - 0,50 0,75 - 1,00 0,035 0,040 0,15 - 0,35 0,80 - 1,10 0,15 - 0,25
4150 0,48 - 0,53 0,75 - 1,00 0,035 0,040 0,15 - 0,35 0,80 - 1,10 0,15 - 0,25
4161 0,56 - 0,64 0,75 - 1,00 0,035 0,040 0,15 - 0,35 0,70 - 0,90 0,25 - 0,35
4320 0,17 - 0,22 0,45 - 0,65 0,035 0,040 0,15 - 0,35 1,65 - 2,00 0,40 - 0,60 0,20 - 0,30
4340 0,38 - 0,43 0,60 - 0,80 0,035 0,040 0,15 - 0,35 1,65 - 2,00 0,70 - 0,90 0,20 - 0,30
E4340 0,38 - 0,43 0,65 - 0,85 0,025 0,025 0,15 - 0,35 1,65 - 2,00 0,70 - 0,90 0,20 - 0,30
4615 0,13 - 0,18 0,45 - 0,65 0,035 0,040 0,15 - 0,35 1,65 - 5,00 0,20 - 0,30
4620 0,17 - 0,22 0,45 - 0,65 0,035 0,040 0,15 - 0,35 1,65 - 5,00 0,20 - 0,30
4626 0,24 - 0,29 0,45 - 0,65 0,035 0,040 0,15 - 0,35 0,70 - 1,00 0,15 - 0,25
4720 0,17 - 0,22 0,50 - 0,70 0,035 0,040 0,15 - 0,35 0,90 - 1,20 0,35 - 0,55 0,15 - 0,25
4815 0,13 - 0,18 0,40 - 0,60 0,035 0,040 0,15 - 0,35 3,25 - 3,75 0,20 - 0,30
4817 0,15 - 0,20 0,40 - 0,60 0,035 0,040 0,15 - 0,35 3,25 - 3,75 0,20 - 0,30
4820 0,18 - 0,23 0,50 - 0,70 0,035 0,040 0,15 - 0,35 3,25 - 3,75 0,20 - 0,30
20
5117 0,15 - 0,20 0,70 - 0,90 0,035 0,040 0,15 - 0,35 0,70 - 0,90
5120 0,17 - 0,22 0,70 - 0,90 0,035 0,040 0,15 - 0,35 0,70 - 0,90
5130 0,28 - 0,33 0,70 - 0,90 0,035 0,040 0,15 - 0,35 0,80 - 1,10
5132 0,30 - 0,35 0,60 - 0,80 0,035 0,040 0,15 - 0,35 0,75 - 1,10
5135 0,33 - 0,38 0,60 - 0,80 0,035 0,040 0,15 - 0,35 0,80 - 1,05
5140 0,38 - 0,43 0,70 - 0,90 0,035 0,040 0,15 - 0,35 0,70 - 0,90
5150 0,48 - 0,53 0,70 - 0,90 0,035 0,040 0,15 - 0,35 0,70 - 0,90
Designación AISI C Mn
P (max)
S (max) Si Ni Cr Mo
5155 0,51 - 0,59 0,70 - 0,90 0,035 0,040 0,15 - 0,35 0,70 - 0,90
5160 0,56 - 0,64 0,75 - 1,00 0,035 0,040 0,15 - 0,35 0,70 - 0,90
E51100 0,98 - 1,10 0,25 - 0,45 0,025 0,025 0,15 - 0,35 0,90 - 1,15
E52100 0,98 - 1,10 0,25 - 0,45 0,025 0,025 0,15 - 0,35 1,30 - 1,60
6118 0,16 - 0,21 0,50 - 0,70 0,035 0,040 0,15 - 0,35 0,50 - 0,70 0,10 - 0,15V
6150 0,48 - 0,53 0,70 - 0,90 0,035 0,040 0,15 - 0,35 0,80 - 1,10 0,15 V Min
8615 0,13 - 0,18 0,70 - 0,90 0,035 0,040 0,15 - 0,35 0,40 - 0,70 0,40 - 0,60 0,15 - 0,25 8617 0,15 - 0,20 0,70 - 0,90 0,035 0,040 0,15 - 0,35 0,40 - 0,70 0,40 - 0,60 0,15 - 0,25 8620 0,18 - 0,23 0,70 - 0,90 0,035 0,040 0,15 - 0,35 0,40 - 0,70 0,40 - 0,60 0,15 - 0,25 8622 0,20 - 0,25 0,70 - 0,90 0,035 0,040 0,15 - 0,35 0,40 - 0,70 0,40 - 0,60 0,15 - 0,25 8625 0,23 - 0,28 0,70 - 0,90 0,035 0,040 0,15 - 0,35 0,40 - 0,70 0,40 - 0,60 0,15 - 0,25 8627 0,25 - 0,30 0,70 - 0,90 0,035 0,040 0,15 - 0,35 0,40 - 0,70 0,40 - 0,60 0,15 - 0,25 8630 0,28 - 0,33 0,70 - 0,90 0,035 0,040 0,15 - 0,35 0,40 - 0,70 0,40 - 0,60 0,15 - 0,25 8637 0,35 - 0,40 0,75 - 1,00 0,035 0,040 0,15 - 0,35 0,40 - 0,70 0,40 - 0,60 0,15 - 0,25 8640 0,38 - 0,43 0,75 - 1,00 0,035 0,040 0,15 - 0,35 0,40 - 0,70 0,40 - 0,60 0,15 - 0,25 8642 0,40 - 0,45 0,75 - 1,00 0,035 0,040 0,15 - 0,35 0,40 - 0,70 0,40 - 0,60 0,15 - 0,25
La segunda forma de designar los aceros es a través de su resistencia mecánica en tracción, es el caso de los aceros:
A37-24ES A: Acero A44-28ES ES: Estructural soldable A63-42ES H: Para hormigón
La primera cifra indica la resistencia a la tracción en kg/mm2, la segunda cifra indica la resistencia a la fluencia en kg/mm2.
21
En la siguente tabla se entregan los valores de resistencia y ductilidad de los aceros para uso estructural y de barras para hormigón armado.
Grados del Acero
Resistencia a la tracción
Rm
Límite de fluencia
Re Alargamiento
en 50 mm Kgf/mm2 Mpa Kgf/mm2 Mpa %
A37-24ES 37 363 24 235 22 A42-27ES 42 412 27 265 20 A52-34ES 52 510 34 324 18
A44-28H 44,9 440 28,6 280 16 A63-42H 64,2 630 42,8 420 (*)
(*): (700/Rm) - K >= 8, K es un coeficiente que depende del diámetro nominal de la barra (e) y cuyo valor se indica a continuación.
e (mm) : 8 10 12 16 18 20 22 25 28 32 36K : 2 1 0 0 0 0,5 1 2 3 4 5
Para poder reconocer un acero al momento de adquirirlo, se utiliza una clave de colores que se pinta en la sección de las barras, se entrega a continuación los códigos de color para los aceros distribuidos por la empresa SABIMET.
22
Aceros Especiales
Aceros Bonificados
Normas Características Técnicas y Aplicaciones
Composición Química
%
Dureza Entrega
HB
USA/ SAE/AISI
Alemania W.St.N°
4340 6582
Código Color
Acero al Cr, Ni, Mo de gran templabilidad y tenacidad, con tratamiento térmico, para ejes, cigüeñales, ejes diferenciales y cardanes, engranajes y piezas de mando.
C : 0,34 Mn : 0,55 Cr : 1,55
Mo : 0,25 Ni : 1,55
299 353
USA/ SAE/AISI
Alemania W.St.N°
4140 7225
Código Color
Acero al Cr, Mn, Mo contratamiento térmico, de alta resistencia a la tracción para piezas de maquinarias sometidas a la tracción para piezas de maquinarias sometidas a exigencias como muñones, pernos y piñones
C: 0,42 Mn : 0,65
Mo : 0,20 Cr : 1,00
266 310
Aceros de Cementación
Normas Características Técnicas y Aplicaciones
Composición Química
%
Dureza Entrega
HB
USA/ SAE/AISI
Alemania W.St.N°
3115 5713
Código Color
Acero al Cr, Ni, Mo de gran templabilidad y tenacidad, con tratamiento térmico, para ejes, cigüeñales, ejes diferenciales y cardanes, engranajes y piezas de mando.
C : 0,14 Mn : 0,80
Cr : 1,0 Ni : 1,45
170 210
23
Aceros para Resortes
Normas Características Técnicas y Aplicaciones
Composición Química
%
Dureza Entrega
HB
USA/ SAE/AISI
Alemania W.St.N°
5160 7176
Código Color
Acero para resortes aleado al Cr, Mn, de gran durabilidad en trabajo de compresión y tracción.
En resortes de vehículos, máquinas, agroindustria, cuchillas de máquinas pequeñas, piezas de máquina, etc.
Las temperaturas de conformado recomendable son entre 830 y 920 °C
C : 0,57 Mn : 0,85
Cr : 0,85 240 260
Aceros al Carbono
Normas Características Técnicas y Aplicaciones
Composición Química
%
Dureza Entrega
HB
USA/ SAE/AISI
Alemania W.St.N°
1045 1191
Código Color
Acero de medio carbono, de uso general para la construcción de todo tipo de piezas mecánicas como ejes, motores electricos, cuñas, martillos, chavetas, etc. En plancha se utiliza donde hay mayor resistencia a ruptura y abrasión. Puede ser suministrado trefilado
C : 0,45 Mn : 0,65
170 190
USA/ SAE/AISI
Alemania W.St.N°
1020 1151
Código Color
Acero blando de bajo carbono para piezas de maquinaria, pernos, pasadores de baja resistencia. Buena soldabilidad. No toma temple, pero es cementable en piezas no exigidas. Puede ser suministrado trefilado.
C : 0,20 Mn : 0,50
120 150
24
Aceros Refractarios
Normas Características Técnicas y Aplicaciones
Composición Química
%
Dureza Entrega
HB
USA/ SAE/AISI
Alemania W.St.N°
310 4841
Código Color
Acero inoxidable refractario austenítico al Cr, Ni, Si, tipo 25/20 para piezas sometidas a temperaturas hasta 1.200° C.
Se emplea en pisos de hornos, parrillas, ganchos, moldes para vidrio, tubos de conducción, rejillas para esmaltar; su durabilidad está condicionada a la atmósfera de trabajo.
C : 0,15 Si : 2,0
Cr : 25,0 Ni : 20,0
145 190
Aceros inoxidables
HISTOR Normas Características Técnicas y Aplicaciones
Composición Química
%
Dureza Entrega
HB
USA/ SAE/AISI
Alemania W.St.N°
HISTOR
316
IA
4401
H
Código Color
ISTORIA
Acero inoxidable austenítico al Cr, Ni, Mo, tipo 18/10. Su contenido de molibdeno mejora todas
sus características de resistencia al ataque ácido.No se garantiza la corrosión intercristalina
en soldaduras. Aplicaciones en la industria minera, petroquímica, farmacéutica y alimentaria.
Usos clínicos ortopédicos. Industria textil
C: 0,07 máx Mn : 2,0 Cr : 17,0
Ni : 12,0
Mo : 2,2 Si : 1,0
130 180
H
316L
ISTORIA
4404
Acero inoxidable austenítico al Cr, Ni, Mo, del tipo 18/10. Estabilizado al carbono, insensibilidad a la
corrosión intercristalina en soldaduras, no necesita tratamientos térmicos post-soldadura.
Mejor aptitud a la deformación en frío y obtención
C: 0,03 máx Mn :
2,0máx Cr :
Ni : 12,5
Mo : 2,2 Si : 1,0
130 180
25
H
Código Color
HISTORIA
de altos grados de pulimento, lo que permite una mayor resistencia a los ácidos comúnmente
emlpeados an la industria.
17,5
USA/ SAE/AISI HISTORIA
Alemania W.St.N°
HI
304
STORIA
4301
H H
Código Color
ISTORIA
Acero inoxidable austenítico al Cr, Ni, 18/8. Buenas características de resistencia a la
corrosión, ductibilidad y pulido. No garantido a la corrosión intercristalina en soldaduras. Resistente
a la corrosión de aguas dulces y atmósferas naturales. En construcción de muebles, utensilios de cocina, orfebrería, arquitectura, decoración de
exteriores.
C: 0,07 máx Mn :
2,0máx Cr : 18,5
Ni : 9,5 Mo : 1,0
Si : 130 180
USA/ SAE/AISI HISTORIA
Alemania W.St.N°
304L 430L
H H
Código Color
ISTORIA
Acero inoxidable austenítico al Cr, Ni, tipo 18/8. Estabilizado al carbono, con garantía de
insensibilidad a la corrosión intercristalina, por tanto no necesita tratamiento térmico post-
soldadura. De fácil pulido y gran ductibilidad, especial para embutido profundo. Se emplea en el forjado, estampado y mecanizado de piezas mecánicas diversas para la industria química,
alimentaria, equipamiento de decoración
C: 0,03 máx Mn :
2,0máx Cr : 18,5
Ni : 10,0 Si
:1,0máx
130 180
USA/ SAE/AISI HISTORIA
Alemania W.St.N°
HI430STORIA 14016
H
Código Color
HISTORIA
Acero inoxidable ferrítico con buena resistencia a la corrosión en frío en medios moderadamente
agresivos aptitudes limitadas para la deformación en frío con un bajo costo con respecto a otros
aceros de mayor aleación. Usado en la ornamentación de la industria automotriz.
Aplicaciones específicas de la industria química.
C: 0,1 máx Mn : 1,0
Cr : 16,5
Si :1,0 máx
130 170
1020 1151 Son aceros inoxidables martensíticos al Cr, que C: 0,15 Cr : 500
26
H Código Color
HISTORIA
presentan una alta resistencia mecánica y buena resistencia a la corrosión con tratamientos
térmicos.
Se aplican fundamentalmente en la fabricación de piezas mecánicas que operan normalmente en
contacto con agua, vapor, vinos, cerveza y otros ambientes moderadamente corrosivos, como
pernos, pasadores, pistones, camisas, ejes de bombas, etc.
máx Mn : 1,0
13,0 Si :1,0 máx
530
Aceros Antiabrasivos
Normas Características Técnicas y Aplicaciones
Composición Química
%
Dureza Entrega
HB
USA/ SAE/AISI
Alemania W.St.N°
T-1 8921A 8922B
Código Color
Acero estructural aleado de bajo carbono con tratamiento térmico y altas propiedades de soldabilidad, resistencia al impacto y la abrasión a bajo costo. Usos: Planchas de recubrimiento antiabrasivas chutes, equipos de movimiento de tierras y minerales, y otros servicios severos de impacto y abrasión. Permite reducir el peso muerto al reducir secciones. Construcción de puentes y edificios, refuerzos de camiones, etc.
C: 0,17 Mn : 1,0 Cr : 0,53
Mo : 0,22 V : 0,06 Ni, Ti, B.
321 390
USA/ SAE/AISI
Alemania W.St.N°
Durcap 360
Código Color
Acero aleado, con tratamiento térmico de normalizado, diseñado para obtener alta resistencia a la abrasión, impacto y corrosión atmosférica. Las propiedades inherentes a este acero permiten alcanzar un excelente desempeño al ser usado en equipos de movimiento de tierra, tolvas, canaletas de traspaso, baldes de dragado, transportadoras deslizantes, cuchillos de bulldozer, mezcladores de hormigón, aspas de ventiladores.
C: 0,19 Mn : 1,5 Cr : 1,5
Mo : 0,35 Cu : 0,21
360
USA/ SAE/AISI
Alemania W.St.N°
Cap 500
Acero aleado, templado y revenido, diseñado para obtener alta
C: 0,31 máx Mn : 1,0
Ni : 1,5 máx Mo :
500
27
Código Color
resistencia a la abrasión e impacto.
Estas propiedades permiten obtener a este acero un altísimo desempeño al ser usado en equipos de movimiento de tierra, tolvas, cucharones de palas mecánicas, placas de desgaste, filo y revestimiento de palas de cargadores frontales, ductos de carga, carros de ferrocarril, tolvas de camiones.
Cr : 1,25 0,35 Nb: 0,02máx
TRATAMIENTOS TERMICOS DEL ACERO
El tratamiento térmico en el material es uno de los pasos fundamentales para que pueda alcanzar las propiedades mecánicas para las cuales esta creado. La clave de los tratamientos térmicos consiste en las reacciones que se producen en el material, tanto en los aceros como en las aleaciones no férreas, y ocurren durante el proceso de calentamiento y enfriamiento de las piezas, con unas pautas o tiempos establecido.
Temple.
El temple tiene por objeto endurecer y aumentar la resistencia de los aceros. Para ello, se calienta el acero a una temperatura ligeramente más elevada que la crítica superior Ac (entre 900-950ºC) y se enfría luego más o menos rápidamente (según características de la pieza) en un medio como agua, aceite, etc.
Revenido.
Es un tratamiento habitual a las piezas que han sido previamente templadas. El revenido consigue disminuir la dureza y resistencia de los aceros templados, se eliminan las tensiones creadas en el temple y se mejora la tenacidad, dejando al acero con la dureza o resistencia deseada. Se distingue básicamente del temple en cuanto a temperatura máxima y velocidad de enfriamiento.
Recocido.
Consiste básicamente en un calentamiento hasta temperatura de austenización (800-925 ºC) seguido de un enfriamiento lento. Con este tratamiento se logra aumentar la elasticidad, mientras que disminuye la dureza. También facilita el mecanizado de las piezas al homogeneizar la estructura, afinar el grano y ablandar el material, eliminando la acritud que produce el trabajo en frío y las tensiones internas.
TRATAMIENTOS TERMO QUIMICOS DEL ACERO
En el caso de los tratamientos térmicos, no solo se producen cambios en la Estructura del Acero, sino también en su COMPOSICION QUIMICA, añadiendo diferentes productos químicos durante el proceso del tratamiento. Estos tratamientos tienen efecto solo superficial en las piezas tratadas.
Cementación.
28
Mediante este tratamiento se producen cambios, en la composición química del acero. Se consigue teniendo en cuenta el medio o atmósfera que envuelve el metal durante el calentamiento y enfriamiento. Lo que se busca es aumentar el contenido de carbono de la zona periférica, obteniéndose después, por medio de temples y revenidos, una gran dureza superficial, resistencia al desgaste y buena tenacidad en el núcleo.
Nitruración.
Este tratamiento Termoquímico busca endurecer superficialmente un acero con nitrógeno, calentándolo a temperaturas comprendidas entre 400-525 ºC, dentro de una corriente de gas amoníaco, más nitrógeno.
29
Naturaleza cristalina de los materiales
Capítulo
4
Analizaremos los aspectos más relevantes de las propiedades mecánicas de los aceros y plásticos de mayor uso en la fabricación de piezas. Lo primero es comprender que un metal está internamente ordenado en celdas cristalinas como por ejemplo la celda cúbica simple, y otras de mayor complejidad como la celda cúbica centrada en el cuerpo que se muestra en la figura 1.
Cuando el metal fundido solidifica, en varios puntos se comienzan a reunir moléculas y forman un núcleo ordenado que crece en todas direcciones. Las figuras 2 y 3 ilustran la asociación de dos celdas vecinas en un diagrama simple y en una maqueta.
Las agrupaciones de celdas que comienzan a solidificar, crecen tridimensionalmente hasta toparse unas con otras, deteniendo el crecimiento.
30
Esto produce zonas en las cuales la red cristalina está ordenada las que llamaremos granos y zonas denominadas límites de grano o fronteras de grano, en donde no existe orden alguno. En la figura 4 se muestra una micrografía obtenida con un microscopio electrónico, donde se aprecian granos y sus fronteras.
Para observar esto en un microscopio, se pule una superficie plana, lo que corta los granos en cualquier dirección. Para mejorar la visualización se aplica sobre la superficie una solución ácida denominada
31
ataque, la cual corroe los granos en mayor o menor grado, dependiendo de su orientación cristalina. En la figura 5 se muestra una metalografía con granos de acero ampliada 175 veces.
Por otra parte, los plásticos están estructurados por ordenamientos en línea, compuestos por un "monómero", o unidad básica que se une con otro monómero idéntico, para formar cadenas de gran longitud. Pero a diferencia de los metales, una cadena (polimero) no se relaciona con otra cadena. El crecimiento es lineal y en los metales es espacial.
Los cambios que ocurren en las aleaciones a distintas temperaturas dependen de la cantidad presente de cada elemento aleante. Esto se puede graficar en los llamados diagramas de fases, que indican las posibles combinaciones en función de la composición química de la aleación y de la temperatura. Estos diagramas sirven para seleccionar los tratamientos térmicos y optimizar la composición de la aleación en función a la microestructura que se desea obtener.
Figura 6
En la figura 6 se muestra el diagrama de fases de la aleación Fierro Carbono, que muestra en el eje vertical la temperatura y en el eje horizontal la composición química. En el extremo izquierdo se encuentra la composición 100% Fe y 0% C y en el extremo derecho se encuentra la composición 100% C y 0% Fe. En la figura se muestra solamente hasta 5% C y 95% Fe por ser la zona de mayor interés ya que contiene los aceros y las fundiciones de mayor uso.
Este verdadero mapa de ordenamientos cristalinos nos muestra cómo el metal al solidificar se dispone en diversas formas. Al variar la temperatura, los cristales ganan o pierden energía y buscan una nueva ordenación tratando siempre de permanecer estables.
32
Ensayo de tracción
Capítulo
5 Para conocer las cargas que pueden soportar los materiales, se efectúan ensayos para medir su comportamiento en distintas situaciones. El ensayo destructivo más importante es el ensayo de tracción, en donde se coloca una probeta en una máquina de ensayo consistente de dos mordazas, una fija y otra móvil. Se procede a medir la carga mientras se aplica el desplazamiento de la mordaza móvil. Un esquema de la máquina de ensayo de tracción se muestra en la Figura 1.
Figura 1 Máquina de Ensayo de Tracción
La máquina de ensayo impone la deformación desplazando el cabezal móvil a una velocidad seleccionable. La celda de carga conectada a la mordaza fija entrega una señal que representa la carga aplicada, las máquinas poseen un plotter que grafica en un eje el desplazamiento y en el otro eje la carga leída.
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La Figura 2 muestra el gráfico obtenido en una máquina de ensayo de tracción para un acero.
Figura 2
Curva Fuerza-Deformación de un Acero.
Las curvas tienen una primera parte lineal llamada zona elástica, en donde la probeta se comporta como un resorte: si se quita la carga en esa zona, la probeta regresa a su longitud inicial.
Se tiene entonces que en la zona elástica se cumple:
F = K (L - L0)
F: fuerza K: cte del resorte L: longitud bajo carga L0: longitud inicial
Cuando la curva se desvía de la recta inicial, el material alcanza el punto de fluencia, desde aquí el material comienza a adquirir una deformación permanente. A partir de este punto, si se quita la carga la probeta quedaría más larga que al principio. Deja de ser válida nuestra fórmula F = K (L - L0) y se define que ha comenzado la zona plástica del ensayo de tracción. El valor límite entre la zona elástica y la zona plástica es el punto de fluencia (yield point) y la fuerza que lo produjo la designamos como:
F = Fyp (yield point)
Luego de la fluencia sigue una parte inestable, que depende de cada acero, para llegar a un máximo en F = Fmáx. Entre F = Fyp y F = Fmáx la probeta se alarga en forma permanente y repartida, a lo largo de toda su longitud. En F = Fmáx la probeta muestra su punto débil, concentrando la deformación en una zona en la cual se forma un cuello.
La deformación se concentra en la zona del cuello, provocando que la carga deje de subir. Al adelgazarse la probeta la carga queda aplicada en menor área, provocando la ruptura.
34
La figura 3 muestra la forma de la probeta al inicio, al momento de llegar a la carga máxima y luego de la ruptura.
Figura 3
Para expresar la resistencia en términos independientes del tamaño de la probeta, se dividen las cargas por la sección transversal inicial Ao , obteniéndose:
resistencia a la fluencia:
σyp =
Fyp
A0
resistencia a la tracción:
σult =
Fmáx
A0
Obs:
σyp = Re σult = Rm (en alguna literatura)
35
Unidades : Kg/mm2 o Mpa o Kpsi
Considerando una probeta cilíndrica
Ao = ( )
La figura 4 ilustra una probeta al inicio del ensayo indicando las medidas iniciales necesarias.
Figura 4
Analizando las probetas después de rotas, es posible medir dos parámetros: El alargamineto final Lf (Figura 5) y el diámetro final Df , que nos dará el área final Af .
Figura 5
Estos parámetros se expresan como porcentaje de reducción de área %RA y porcentaje de alargamiento entre marcas %∆ L:
% RA= x 100 % ∆ L = x 100.
Ambos parámetros son las medidas normalizadas que definen la ductilidad del material, que es la capacidad para fluir, es decir, la capacidad para alcanzar grandes deformaciones sin romperse. La fragilidad se define como la negación de la ductilida ductilidad. Un material poco dúctil es frágil. La Figura 6 permite visualizar estos dos conceptos gráficamente.
36
Figura 6
El área bajo la curva fuerza - desplazamiento (F versus ∆ L) representa la energía disipada durante el ensayo, es decir la cantidad de energía que la probeta alcanzó a resistir. A mayor energía, el material es más tenaz.
A partir de los valores obtenidos en el gráfico Fuerza-Desplazamiento, se puede obtener la curva Esfuerzo-Deformación σ - ε . El esfuerzo σ , que tiene unidades de fuerza partido por área, ha sido definido anteriormente, la deformación unidimensional:
En la Figura 7 se presenta un ejemplo del gráfico Esfuerzo-Deformación de un acero.
37
Figura 7
En la zona elástica se cumple:
σ = Ε . ε
Ε:
Módulo de Elasticidad = 2,1. 106 (Kg / cm2)
Pero, σ = y ε = con lo que queda
= Ε y definitivamente,
F = (Lf - L0 ) en donde la "constante de resorte" K =
38
En los siguientes ejemplos de curvas σ − ε se puede observar las caracterísiticas de cada material: el hule muestra una gran ductilidad al alcanzar una gran deformación ante cargas pequeñas; el yeso y el carburo de tungsteno muestran poca ductilidad, ambos no tienen una zona plástica; se rompen con valores bajos de elongación: son materiales frágiles. La única diferencia entre ellos es la resistencia que En los siguientes ejemplos de curvas σ − ε se puede observar las caracterísiticas de cada material: el hule muestra una gran ductilidad al alcanzar una gran deformación ante cargas pequeñas; el yeso y el carburo de tungsteno muestran poca ductilidad, ambos no tienen una zona plástica; se rompen con valores bajos de elongación: son materiales frágiles. La única diferencia entre ellos es la resistencia que alcanzan.
Figura 8
Distintas curvas σ − ε , s en (1000 lb/pulg2).
Los diagramas esfuerzo-deformación de diversos materiales varían ampliamente y diferentes ensayos de tensión con el mismo material pueden producir resultados diferentes de acuerdo con la temperatura de la probeta y la velocidad de carga. Sin embargo, es posible distinguir algunas características comunes a los diagramas de varios grupos de materiales y dividirlos en dos amplias categorías: materiales dúctiles y materiales frágiles, conceptos definidos anteriormente.
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Figura 9
Durante el ensayo de tracción, si se descarga la probeta, luego de alcanzar la zona plástica, pero antes de producirse la ruptura, la curva σ − ε cambia de forma. La longitud de la probeta tiende a recuperarse, pero no alcanza la longitud inicial, quedando con un longitud mayor, que se denomina deformación permanente. A nivel gráfico, la curva se devuelve con la pendiente de la zona elástica (Figura 9).
Finalmente, si la curva σ − ε del material no presenta claramente dónde termina la zona elástica y comienza la zona plástica, se define como punto de fluencia al correspondiente a una deformación permanente del 0,2%. La Figura 10 ilustra lo anterior, mostrando el diagrama de esfuerzo contra deformación para cobre policristalino.
40
Figura 10
Región elástica y región plástica inicial que muestra el límite de fluencia para una deformación permanente de 0,2%.
Ensayo de resistencia
Hasta ahora, sólo se ha hecho mención a la resistencia de los materiales (principalmente acero) cuando estos se ven solicitados a esfuerzos de tracción. Existen otros ensayos destructivos que permiten evaluar la resistencia del material frente, por ejemplo, al impacto (o resiliencia). El ensayo Charpy permite calcular cuánta energía logra disipar una probeta al ser golpeada por un pesado péndulo en caída libre (Figura 11). El ensayo entrega valores en Joules, y éstos pueden diferir fuertemente a diferentes temperaturas. La Figura 12 permite evaluar la diferencia entre probetas antes y después del ensayo. Hasta ahora, sólo se ha hecho mención a la resistencia de los materiales (principalmente acero) cuando estos se ven solicitados a esfuerzos de tracción. Existen otros ensayos destructivos que permiten evaluar la resistencia del material frente, por ejemplo, al impacto (o resiliencia). El ensayo Charpy permite calcular cuánta energía logra disipar una probeta al ser golpeada por un pesado péndulo en caída libre (Figura 11). El ensayo entrega valores en Joules, y éstos pueden diferir fuertemente a diferentes temperaturas. La Figura 12 permite evaluar la diferencia entre probetas antes y después del ensayo.
41
Figura 11
Máquina para pruebas de impacto
Figura 12
Probetas de un ensayo de impacto
El ensayo de impacto consiste en dejar caer un pesado péndulo, el cual a su paso golpea una probeta que tiene forma paralelepípeda ubicada en la base de la máquina.
La probeta posee un entalle estándar para facilitar el inicio de la fisura; este entalle recibe el nombre de V-Notch. Luego de golpear la probeta, el péndulo sigue su camino alcanzando una cierta altura que
42
depende de la cantidad de energía disipada al golpear. Las probetas que fallan en forma frágil se rompen en dos mitades, en cambio aquellas con mayor ductilidad se doblan sin romperse. Este comportamiento es muy dependiente de la temperatura y la composición química, esto obliga a realizar el ensayo con probetas a distinta temperatura, para evaluar la existencia de una "temperatura de transición dúctil-frágil". Este ensayo se lleva a un gráfico como el mostrado en la Figura 13 en donde se puede apreciar un fuerte cambio en la energía disipada para algunos aceros de bajo carbono. Mientras que el níquel no muestra una variación notable.
Figura 13
Resultados de pruebas de impacto para varias aleaciones, medidos a través de un intervalo de temperatura
Otros ensayos destructivos y no destructivos de uso común
Además de los ensayos destructivos y no destructivos anteriormente expuestos, existen muchos otros ensayos particulares para evaluar la capacidad de un material para una aplicación específica. Las normas internacionales (ASTM, SAE, API) indican la forma en la cual deben realizarse los ensayos y los criterios de aceptación y rechazo.
Un ensayo especial es el ensayo de fatiga con probeta rotatoria (Figura 14), en el cual una probeta se hace girar por medio de un motor, mientras se le aplica una carga conocida. La probeta queda sometida a una flexión alternada, que se traduce en que un punto cualquiera de la probeta queda sometido a un ciclo de cargas que va de tracción a compresión. Esto produce fisuras que se van propagando lentamente, reduciendo el área hasta un punto tal en que la probeta no pueda resistir la carga aplicada y se rompe.
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Figura 14
Máquina de Ensayo de Fatiga.
Figura 15
Probeta Estandarizada del Ensayo de Fatiga
La Figura 15 muestra la probeta estandarizada que se usa en este ensayo.
Variando el peso aplicado en el ensayo, y anotando la cantidad de ciclos que la probeta resistió antes de romperse, se puede obtener el gráfico de la Figura 16.
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Figura 16
La curva es decreciente hasta el millón de ciclos, luego de los cuales la probeta no se rompe. Esta carga que no logra romper la probeta, es la carga de vida infinita y el esfuerzo que provoca es el llamado límite de resistencia a la fatiga: Se .
Este valor Se se utilizará para diseñar elementos sometidos a cargas fluctuantes, como es el caso de los ejes en general.
A continuación se presenta una lista con algunos de los ensayos utilizados con fines más puntuales:
• Rayos X en uniones soldadas (Soldaduras peligrosas como balones de gas). • Tintas penetrantes (Controles de calidad de fundición y forja para ubicar grietas). • Partículas Magnéticas. • Ultrasonido (Puede medir hasta el espesor de una capa de pintura). • Corrosión. • Propagación de fisuras. • Análisis Metalográfico. • Microscopio Electrónico. • Ensayo de Doblado.
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Ensayo de dureza superficial
El último ensayo rutinario es el de Dureza Superficial, que es la resistencia de un material a ser marcado por otro. Se prefiere el uso de materiales duros cuando éstos deben resistir el roce con otros elementos. Es el caso de las herramientas de construcción (palas, carretillas, pisos, tolvas). El ensayo es realizado con indentadores en forma de esferas, pirámides o conos. Estos elementos se cargan contra el material y se procede a medir el tamaño de la huella que dejan. Es un ensayo fácil y no destructivo; puede realizarse en cualquier sitio, ya que existen durímetros fácilmente transportables. Una de las ventajas del ensayo de dureza es que los valores entregados pueden usarse para hacer una estimación de la resistencia a la tracción. La dureza superficial puede aumentarse añadiendo al material una capa de carbono, en un tratamiento térmico denominado cementación.
La clasificación y los métodos varían con cada material, dando origen a los números de dureza:
• HBN (Hardness Brinell Number) • HRA, HRB, HRC, ... (Hardness Rockwell series A, B, C, ...) • HVN (Hardness Vickers Number)
entre otros.
A continuación se detalla el procedimiento y el cálculo de cada uno de estos números estandarizados
Ensayo BRINELL.
Indentador: Esfera de 10mm de acero o carburo de tungsteno.
Carga = P
Fórmula: HBN = Ensayo VICKERS
Indentador: Pirámide de diamante
Carga = P
Fórmula: HVN = 1,72
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Ensayo ROCKWELL A, C, D
Indentador: Cono de diamante (HRA, HRC, HRD)
Carga:
PA = 60 Kg PC = 150 Kg PD = 100 Kg
Formula: HRA, HRC, HRD = 100 - 500t
Ensayo ROCKWELL B, F, G, E
Indentador:
Esfera de acero f = 1/16 ‘’(HRB, HRF, HRG)
Esfera de acero f = 1/8 ‘’ (HRE)
Carga:
PB = 100 Kg PF = 60 Kg PG = 150 Kg PE = 100 Kg
Formula: HRB, HRF, HRG, HRE = 130 - 500t
La Tabla 1 muestra las equivalencias entre algunos de los números de dureza superficial y presenta una estimación de la resistencia a la tracción.
Dureza Rockwell
Dureza Vickers
HV
DurezaBrinell
HB HRB HRC
Resistencia a la Tensión
N/mm2.
80 76 255 85 80,7 41 270 90 85,5 48 285 95 90,2 52 305
100 95 56,2 320 105 99,8 335 110 105 52,3 350
47
115 109 370 Dureza
Rockwell Dureza
Rockwell Dureza Vickers
HV
DurezaBrinell
HB HRB HRB
Resistencia a la Tensión
N/mm2.
120 114 66,7 385 125 119 400 130 124 71,2 415 135 128 430 140 133 75 450 145 138 465 150 143 78,7 480 155 147 495 160 152 510 165 156 530 170 162 85 545 175 166 560 180 171 87,1 575 185 176 595 190 181 89,5 610 195 185 625 200 190 91,5 640 205 195 92,5 660 210 199 93,5 675 215 204 94 690 220 209 95 705 225 214 96 720 230 219 96,7 740 235 223 755 240 228 98,1 20,3 770 245 233 21,3 785 250 238 99,5 22,2 800 255 242 23,1 820 260 247 24 835 265 252 24,8 850 270 257 25,6 865 275 261 26,4 880
48
280 266 27,1 900 285 271 27,8 915 290 276 28,5 930
Dureza Rockwell
Dureza Rockwell
Dureza Vickers
HV
DurezaBrinell
HB HRB HRB
Resistencia a la Tensión
N/mm2
295 280 29,2 950 300 285 29,8 965 310 295 31 995 320 304 32,2 1030 330 314 33,3 1060 340 323 34,4 1095 350 333 35,5 1125 360 342 36,6 1155 370 352 37,7 1190 380 361 38,8 1220 390 371 39,8 1255 400 380 40,8 1290 410 390 41,8 1320 420 399 42,7 1350 430 409 43,6 1385 440 418 44,5 1420 450 428 45,3 1455 460 437 46,1 1485 470 447 46,9 1520 480 (456) 47,7 1555 490 (466) 48,4 1595 500 (475) 49,1 1630 510 (485) 49,8 1665 520 (494) 50,9 1700 530 (504) 51,1 1740 540 (513) 51,7 1775 550 (523) 52,3 1810 560 (532) 53 1845 570 (542) 53,6 1880
49
580 (551) 54,1 1920 590 (561) 54,7 1955 600 (570) 55,2 2030 610 (580) 55,7 2070 620 (589) 56,3 2105
Dureza Rockwell
Dureza Rockwell
Dureza Vickers
HV
DurezaBrinell
HB HRB HRB
Resistencia a la Tensión
N/mm2
630 (599) 56,8 2145 640 (608) 57,3 2180 650 (618) 57,8 660 58,3 670 58,8 680 59,2 690 59,7 700 60,1 720 61 740 61,8 760 62,5 780 63,3 800 64 820 64,7 840 65,3 860 65,9 880 66,4 900 67 920 67,5 940 68
Tabla 1 Escala Comparativa de Grados de Dureza con una Estimación de la Resistencia a la Tracción
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Análisis del esfuerzo mecánico
Recordando la definición de esfuerzo, nos encontramos que es el resultado de la división entre una fuerza y el área en la que se aplica. Se distinguen dos direcciones para las fuerzas, las que son normales al área en la que se aplican y las que son paralelas al área en que se aplican. Si la fuerza aplicada no es normal ni paralela a la superficie, siempre puede descomponerse en la suma vectorial de otras dos que siempre resultan ser una normal y la otra paralela.
Los esfuerzos con dirección normal a la sección, se denotan como σ (sigma) y representa un esfuerzo de tracción cuando apunta hacia afuera de la sección, tratando de estirar al elemento analizado. En cambio, representa un esfuerzo de compresión cuando apunta hacia la sección, tratando de aplastar al elemento analizado.
El esfuerzo con dirección paralela al área en la que se aplica se denota como τ (tau) y representa un esfuerzo de corte. Este esfuerzo, trata de cortar el elemento analizado, tal como una tijera cuando corta papel, uno de sus filos mueven el papel hacia un lado mientras el otro filo lo mueve en dirección contraria resultando en el desgarro del papel a lo largo de una línea.
Las unidades de los esfuerzos son las mismas que para la presión, fuerza dividida por área, se utilizan con frecuencia : MPa, psi, Kpsi, Kg/mm2, Kg/cm2.
Se analizará la situación de un trozo pequeño de material ubicado dentro de una viga u otro elemento estructural. Este pequeño trozo tendrá forma de cubo con aristas infinitesimales de valor : dx, dy , dz. Este cubo tiene seis caras y en cada una de ellas se considerará que actúan tres esfuerzos internos: uno normal y dos de corte. La notación utilizada es: σx para el esfuerzo normal aplicado en la cara normal al eje x, de igual forma se definen σy, σz . Para los esfuerzos cortantes, la notación es τab que denota el esfuerzo de corte que actúa en la cara normal al eje ‘a’ y que apunta en la dirección del eje ‘b’. De esta forma se tienen: τxy τxz τyx τyz τzx τzy.
Al interior de un elemento bajo carga, cada punto del cuerpo tiene valores particulares para estas 18 variables (cada cara del cubo dx dy dz tiene tres esfuerzos, uno normal y dos de corte), al analizar un punto vecino el valor de las variables cambia. Si se analizan las superficies exteriores de un elemento estructural bajo carga, se encuentra que sobre estas caras, los esfuerzos internos no existen, esto anula tres esfuerzos pero por equilibrio de fuerzas se anulan 5 esfuerzos, por lo tanto, se puede simplificar el modelo tridimensional a uno bidimensional que contiene solo tres variables, σx σy τxy, las cuales describen el estado de tensiones de un punto sobre la superficie exterior de un cuerpo bajo carga.
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Este grupo de esfuerzos actuando sobre un punto es el estado de tensiones del punto. Representa una situación de cargas que puede transformarse rotando el cubo dx,dy,dz. Esto genera un cambio en las tensiones sobre las caras, los esfuerzos varían en magnitud y sentido pero en conjunto, el estado de tensiones se ha cambiado por otro equivalente.
Transformación del esfuerzo plano
Desde el punto de vista del material, las características propias determinan si es más resistente a las cargas normales o a las cargas cortantes, de aquí nace la importancia de transformar un estado de tensiones general en otro particular que puede ser más desfavorable para un material.
Se considera un trozo plano y un cambio de ejes coordenados rotando el sistema original en un ángulo α.
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El estado de esfuerzos cambia a otro equivalente σx’ σy’ τx’y’ que deben calcularse en base a los esfuerzos originales. Tomando un trozo de elemento plano se tiene que :
Para poder hacer suma de fuerzas y equilibrar este elemento, es necesario multiplicar cada esfuerzo por el área en la que se aplican para obtener las fuerzas involucradas. Considerando que los esfuerzos incógnitos se aplican en una área ‘da’. Se tiene que este trozo de cuña tiene un área basal ‘da cos α’ y un área lateral ‘da sen α’
Suma de fuerzas en la dirección x’ :
σx’ da = σx da cos α cos α + σy da sen α sen α + τxy da cos α sen α + τxy sen α cos α
σx’ = σx sen2α + σy cos2α + 2 τxy cos α sen α
σx’ = ( σx + σy )/2 + ( σx - σy )/2 (cos 2α) + τxy (sen 2α)
Suma de fuerzas en la dirección y’ :
τx’y’ da = σy da cos α sen α - τxy da sen α sen α + τxy cos α cos α - σx da sen α cos α
τx’y’ = σy cos α sen α - τxy sen2α + τxy cos2α- σx sen α cos α
τx’y’ = τxy (cos 2α) - ( σx - σy )/2 (sen 2α)
Con estas expresiones es posible calcular cualquier estado de esfuerzo equivalente a partir de un estado inicial. La siguiente aplicación permite calcular estos valores automáticamente. Compruebe los resultados que se obtienen.
Esfuerzos principales
Siempre es importante obtener los valores máximos de los esfuerzos tanto los normales como los de corte para compararlos con los valores admisibles del material que se está evaluando.
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El esfuerzo normal máximo se deduce derivando σx’ con respecto al ángulo α :
dσx’ /dα = 0 = - ( σx - σy ) (sen 2α) + 2 τxy (cos 2α)
tan 2α = 2 τxy / ( σx - σy )
La solución de esta ecuación son dos ángulos que valen : α y α + 90
Al evaluar usando estos valores para el ángulo α se obtienen los esfuerzos normales máximo ( σ1) y mínimo (σ2). Es importante destacar que si se iguala τx’y’ = 0 se obtiene la misma expresión que la derivada, esto implica que cuando el elemento se rota para encontrar los esfuerzos principales (σ1 y σ2) se produce que el esfuerzo cortante vale cero.
En definitiva :
σ1 , σ2 = ( σx + σy ) / 2 + / -
El esfuerzo cortante máximo se obtiene de forma similar, derivando la expresión correspondiente con respecto al ángulo α.
dtx’y’ / dα = 0 = -2 τxy (sen 2α) - ( σx - σy ) (cos 2α)
tan 2α = - ( σx - σy ) / 2 τxy
Esta expresión nos entrega el ángulo para el cual se producen los esfuerzos cortantes máximos, queda en definitiva :
τ1 y τ2 = + / -
A continuación se entrega otra aplicación que calcula los esfuerzos principales y el ángulo correspondiente. Compruebe las soluciones que entrega.
Círculo de Mohr para esfuerzos
Las ecuaciones desarrolladas en los puntos anteriores pueden reescribirse para formar una ecuación de circunferencia :
Se tiene que :
σx’ = ( σx + σy )/2 + (( σx - σy )/2 (cos 2α)) + τxy (sen 2α)
τx’y’ = τxy (cos 2α) - (( σx - σy )/2 ) (sen 2α)
La primera ecuación se acomoda de la siguiente forma :
σx’ - ( σx + σy )/2 = (( σx - σy )/2 (cos 2α)) + τxy (sen 2α)
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Elevando al cuadrado se tiene :
(σx’ - (σx + σy)/2)2 =(σx - σy)2/4 (cos 2α)2 + (σx - σy) (cos 2α) τxy (sen 2α) + τxy2 (sen 2α)2
Elevando al cuadrado la segunda ecuación se tiene :
τx’y’2 = τxy
2 (cos 2α)2 - τxy (cos 2α) (σx - σy) (sen 2α) + (σx - σy)2/4 (sen 2α)2
Sumando ambas expresiones :
(σx’ - ( σx + σy )/2)2 + τx’y’2 = τxy
2 + (( σx - σy )2/2)2
Los esfuerzos originales son datos, y por lo tanto constantes del problema, se tiene entonces :
τxy2 + (( σx - σy )2/2)2 = b2
( σx + σy )/2 = a
Reescribiendo queda :
(σx’ - a)2 + τx’y’2 = b2
Si los ejes son :
x = σx’
y = τx’y’
Tenemos :
( x - a )2 + y2 = b2
Que representa a una circunferencia con centro en x = a ; y = 0 con un radio r = b
Esta circunferencia se denomina Círculo de Mohr (Otto Mohr 1895) que en definitiva tiene las siguientes características :
Centro en : x = ( σx + σy )/2 ; y = 0
Radio de : r2 = τxy2 + (( σx - σy )2/2)2
La figura siguiente muestra el círculo de Mohr creado a partir de un problema :
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Bibliografía Sabimet S.A. www.arqhys.com IPAC – Instituto para la promoción de armaduras certificadas www.solomantenimiento.com
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