acero y su aplicaciÓn en estructuras metÁlicas · clasificación de los aceros aleados...
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GUÍA N°1 DE AUTOAPRENDIZAJE
1. ACERO Y SU APLICACIÓN EN ESTRUCTURAS METÁLICAS
El acero es una aleación metálica de hierro carbono con máximo 2.11% de carbono a la cual se adicionan varios
elementos de aleación que confieren mejoras en las propiedades mecánicas especificas según su aplicación en la
industria.
Los principales elementos de aleación son: cromo, tungsteno, manganeso, níquel, vanadio, cobalto, molibdeno,
cobre, azufre y fósforo. Los productos ferrosos con más de 2.11% de carbono denominan fundiciones de hierro.
1.1. Clasificación de los aceros aleados Nomenclatura AISI-SAE
Se da el nombre de aceros aleados a los aceros que además de los cinco elementos:
1. carbono (C)
2. Silicio (Si)
3. Manganeso (Mn)
4. Fósforo (P)
5. Azufre (S)
Contienen también cantidades relativamente importantes de otros elementos como:
el cromo
níquel
molibdeno, etc.,
Que sirven para mejorar alguna de sus características fundamentales. También puede considerarse aceros aleados
los que contienen alguno de los cuatro elementos diferentes del carbono que antes hemos citado, en mayor
cantidad que los porcentajes que normalmente suelen contener los aceros al carbono, y cuyos límites superiores
suelen ser generalmente los siguientes:
Si=0.50%
Mn=0.90%
P=0.100%
S=0.100%.
Los elementos de aleación que más frecuentemente suelen utilizarse para la fabricación de aceros aleados son:
níquel
manganeso
cromo
vanadio
wolframio (tungsteno)
molibdeno
cobalto
silicio
cobre
titanio
circonio
plomo
Selenio
CORPORACION MUNICIPAL DE DESARROLLO SOCIAL
LICEO INDUSTRIAL EULOGIO GORDO MONEO ANTOFAGASTA
FONO FAX:55-2231189 WWW.LICEOINDUSTRIALEGM.CL
Profesor Patricio Muñoz Arancibia
Especialidad Construcciones metálicas Módulo Protección de estructuras y tratamiento de residuos
Aprendizaje Esperado Elabora una lista digital, detallada y secuencial de los elementos de la estructura a preparar, de acuerdo al tratamiento de protección y terminación señalado en las especificaciones técnicas del proyecto y las normas de prevención de riesgos y medioambientales.
Fecha Curso 4° Medio
Nombre Estudiante
aluminio
boro
Niobio.
1.2. Nomenclatura de los aceros sistema S.A.E - A.I.S.I
Como la microestructura del acero determina la mayoría de sus propiedades y aquella está determinada por el
tratamiento y la composición química; uno de los sistemas más generalizados en la nomenclatura de los aceros es
el que está basado en su composición química.
En el sistema S.A.E. - A.I.S.I, los aceros se clasifican con cuatro dígitos XXXX. Los primeros dos números se
refieren a los dos elementos de aleación más importantes y los dos o tres últimos dígitos dan la cantidad de
carbono presente en la aleación. Un acero 1040 AISI es un acero con 0.4%C; un acero 4340 AISI, es un acero
aleado que contiene 0.4%C, el 43 indica la presencia de otros elementos aleantes.
1040
10 elementos de aleación más importantes (1) Manganeso + (0) nada
40 cantidad de carbono presente en la aleación 0,4 % de carbono
4340
43 elementos de aleación más importantes (4) Molibdeno + (3) Níquel - Cromo
40 cantidad de carbono presente en la aleación 0,4 % de carbono
Las convenciones para el primer dígito son:
1. MANGANESO
2. NÍQUEL
3. NÍQUEL-CROMO, principal aleante el cromo
4. MOLIBDENO
5. CROMO
6. CROMO-VANADIO, principal aleante el cromo
7.
8. NIQUEL-CROMO-MOLIBDENO, principal aleante el molibdeno
9. NIQUEL-CROMO-MOLIBDENO, principal aleante el níquel.
No hay aceros numerados 7xxx porque estos aceros resistentes al calor prácticamente no se fabrican.
Se observa entonces que si el primer número es 1 se sabe que es un acero al carbono; si el dígito siguiente es el
0, o sea que la designación es 10xx, se trata de un acero ordinario al carbono.
1.3. Acero inoxidable
El acero inoxidable se define como una aleación de acero con un mínimo de 10% de cromo contenido en masa.
El acero inoxidable es resistente a la corrosión, dado que el cromo, u otros metales que contiene, posee gran
afinidad por el oxígeno y reacciona con él formando una capa pasivadora, evitando así la corrosión del hierro.
2. Corrosión metálica en construcción
Las construcciones metálicas presentan procesos de corrosión metálica que producen perdidas y gastos en
mantenimiento.
Estos procesos de degradación van a estar siempre condicionados por dos aspectos fundamentales:
1. Las características intrínsecas de los metales o aleaciones metálicas constituyentes de los elementos
constructivos.
2. Las circunstancias medioambientales en que estos elementos se ubiquen, lo que depende no solamente
de la ubicación del edificio sino también y en gran medida, de la ubicación del elemento dentro de la
construcción.
Los metales que se emplean en los edificios pueden ser muy variados, en muchas ocasiones se presentan en forma
de aleaciones. Cada uno de ellos tiene un determinado comportamiento en cuanto a su tendencia a corroerse
2.1. La corrosión como mecanismo de deterioro de los metales
El término “corrosión” se entiende coloquialmente como “descomposición” o lo que es lo mismo, destrucción de
un material por reacción química con el medio ambiente. Es decir existe una alteración en la naturaleza del
material.
La masa metálica disminuye hasta que arruina el elemento del que es constituyente mediante perforaciones,
fracturas, etc.
La degradación metálica por corrosión tiene dos vertientes principales a considerar:
2.1.1. Oxidación:
Aunque también se conoce como “corrosión seca” o incluso corrosión química. Esta modalidad consiste en la
combinación espontánea de los átomos metálicos con el oxígeno, formando finas capas de óxidos. En este caso
no se necesita la humedad.
(Contacto del metal desnudo con el oxígeno del aire)
Esta oxidación es muy pequeña a temperatura ambiente, pero la capa de óxido puede crecer enormemente a
temperaturas superiores a 250°C
El metal pierde su aspecto inicial tras ser calentado
En la proximidad de las soldaduras reproduce la oxidación del acero a elevada temperatura.
2.1.2. Corrosión acuosa:
“corrosión húmeda” necesita del contacto metálico con una solución acuosa para su materialización. Estos
procesos están muy ligados al tránsito de cargas eléctricas entre el metal y la solución. Tienen carácter
electroquímico
La inmensa mayoría de los procesos de deterioro por corrosión en los edificios se producen a temperatura
ambiente.
2.1.2.1. La tendencia a la disolución metálica. El potencial de electrodo
Un elemento metálico sumergido en una solución experimenta cierta tendencia a disolverse en el según la reacción
anódica
Los metales nobles (oro, el platino, la plata, etc.) tienen una menor tendencia a la disolución mientras que los que
ocupan el otro extremo son los más activos, son los más tendentes a disolverse.
La tabla siguiente que se presenta a continuación recoge una parte de los metales de la serie ordenados según su
potencial estándar.
Resistencia a la
corrosión Metal Metal/ion metálico Potencial electrodico
estándar E0 en V.
Mayor resistencia
(Mayor Potencial)
(Noble – Catódico)
Menor resistencia
(Menor Potencial)
(Innoble – anódico)
Oro Au/Au+++ 1.498
Platino Pt/Pt++ 1.200
Plata Ag/Ag+ 0.987
Cobre CU/Cu++ 0.337
Plomo Pb/Pb++ -0.126
Estano Sn/Sn++ -0.136
Niquel Ni/Ni++ -0.250
Cobalto Co/Co++ -0.277
Cadmio Cd/Cd++ -0.403
Hierro Fe/Fe++ -0.440
Cromo Cr/Cr++ -0.744
Cinc Zn/Zn++ -0.763
Titanio Ti/Ti++ -1.630
Aluminio Al/Al+++ -1.662
Magnesio Mg/Mg++ -2.633
Si en una solución se sumergen dos metales distintos se formará una pila cuya diferencia de potencial se puede
medir. El cátodo lo constituirá el metal que ocupe una posición más elevada en la tabla, el más noble y el ánodo
el del lugar más bajo, el más activo. Si a continuación se conectan mediante un conductor eléctrico los electrones
tratarán de caminar por él del ánodo hacia el cátodo.
2.2. Tipos de Corrosión
2.2.1. Corrosión general:
Es la corrosión que aparece en toda la superficie causando la pérdida uniforme de espesor. En la misma superficie
ocurren reacciones tanto anódicas como catódicas, ya que algunas áreas cambian de potencial debido a elementos
externos en la superficie del metal o a variaciones en el electrolito.
Este tipo de corrosión puede retrasarse mediante:
La selección del material.
Protección catódica
Pintura
Adición de un inhibidor.
Cambio de condiciones ambientales, por ejemplo mediante la deshumidificación.
2.2.2. Corrosión galvánica:
Se produce cuando hay una reunión de dos metales que presentan diferentes potenciales de oxidación – reducción.
Estos contactos de diferentes metales deben ser evitados. Este es uno de los tipos de corrosión más comunes y
potencialmente la más peligrosa.
Los metales de los barcos o de las instalaciones portuarias desarrollan este fenómeno por el simple hecho de estar
sumergidas en el agua. La diferencia de potencial existente entre los distintos metales hace que, inevitablemente,
uno de ellos actúe como ánodo. Cuanto más bajo sea el potencial de un metal, más rápidamente será corroído o
disuelto y, al mismo tiempo cuanto mayor sea la diferencia de potencial existente entre dos metales, mayor será
la corrosión galvánica producida entre ellos, resultando siempre perjudicado el que tiene el potencial mucho más
bajo.
Figura a. La superficie de estaño sirve como un gran
cátodo y acelera la corrosión del hierro.
Figura b. La capa de Zinc forma el ánodo
y sufre la corrosión intencional para proteger al hierro.
La corrosión galvánica se puede reducir o prevenir mediante:
Uso de electrodos de soldadura apropiados.
Evitar acoplamientos de metales indeseados.
Aislar los materiales uno de otros.
Utilizar recubrimiento o pintura metálica.
Reducción del tiempo en que el metal este sumergido en el electrolito.
Evitar depósitos de iones de metal en superficies.
2.2.3. Corrosión por picadura (pitting):
La corrosión por pitting aparecen como ataques localizados a metales en forma de picaduras o cavidades. Las
picaduras son una de las formas más destructivas de corrosión pues es una causa potencial de fallo en equipos
debido a la perforación y/o la penetración. Estas ocurren generalmente en las superficies de metal protegidas por
revestimientos de óxido tal como acero inoxidable, aluminio, etc.
Esta forma de ataque corrosivo en condiciones favorables puede desarrollarse extremadamente rápido y
representar un gran peligro para la seguridad.
Las picaduras tienen una apertura relativamente estrecha en la superficie pero que penetra profundamente en el
metal. Este tipo de corrosión por picadura es el más peligroso, llegándose a observar penetraciones hasta 6 mm
en un periodo de tiempo de 3 a 4 meses. Las picaduras son por lo general difíciles de detectar ya que normalmente
está cubierta por los productos de corrosión.
El tamaño relativo del área de superficie del ánodo en comparación con el cátodo es decisivo en la determinación
del grado de corrosión que aparecerá. Las aleaciones con remanentes de uno de los metales originales intacto,
seguramente serán atacadas por la corrosión por picadura, al estar sumergido en un electrolito.
Los aceros inoxidables normalmente sufren menos agresiones que la cascarilla de laminación a través del
deterioro de la capa de óxido causados por iones clorhídricos. Las zonas débiles de la capa de óxido son las
primeras en verse afectadas y el radio entre las zonas pasivas y activas será mayor. La cascarilla de laminación
tiene un mayor número de defectos en la superficie, formando un radio menor entre los ánodos y cátodos.
La corrosión por picadura normalmente ocurre donde el metal es pasivo.
La corrosión por picadura también puede deberse a la corrosión galvánica. Esto puede suceder cuando se
depositan más iones del metal noble en la superficie del metal del material más innoble.
Los ambientes típicos capaces de desarrollar corrosión por picaduras son el agua marina y en general las aguas
que contienen iones cloro, sobre todo si están estancadas.
Los materiales resistentes a la corrosión se reconocen por su alto contenido de cromo, níquel o molibdeno.
Normalmente se utilizan aleaciones de acero inoxidable o resistente con cobre – níquel o níquel titanio.
Para evitar este tipo de ataque conviene tener en cuenta lo siguiente:
Asegurar que las superficies se encuentren descontaminadas, eliminando todo resto de hierro.
Eliminar la capa de óxidos metálicos de los cordones de soldadura y de las zonas adyacentes.
Evitar la sensibilización del material tanto en procesos de soldadura como por calentamiento.
2.2.4. Corrosión por hendiduras o fisuras:
El espacio estrecho rellenado por un electrolito, normalmente percibe un tipo especial de corrosión por hendiduras
o fisuras.
Una condición es que las fisuras son de tal naturaleza que el electrolito permanece estancado.
Los metales que normalmente permanecen pasivos, o se transforman en pasivos fácilmente, son más propensos a
este tipo de corrosión. Estos metales incluyen aceros inoxidables, aluminio y cascarilla de laminación en un medio
alcalino. El factor principal que rige la corrosión por fisuras es el hecho de la falta de oxígeno en las superficies
metálicas pasivas. Las zonas típicas para este ataque son rebordes, chapas empernadas, pernos, cabezas de
tornillos, etc. La corrosión por fisuras puede aparecer también cuando los metales se cubren de p. ej., arena,
suciedad, barro y crecimiento marino. En este último caso, cuando el metal está cubierto, la corrosión por fisura
se conoce también como corrosión anaeróbica.
Este tipo de corrosión se puede reducir mediante:
Los materiales deberían ser unidos mediante soldadura en lugar de con pernos o rebordes.
Las zonas que no están totalmente sumergida deberían ser drenadas.
Evitar cantos afilados y esquinas.
Evitar zonas en donde se pudiera acumular agua estancada.
2.2.5. Corrosión filiforme:
Este tipo de corrosión siempre está asociada a humedades y ciertos contaminantes de la atmósfera, entre ellos
especialmente cloruros.
Ocurre bajo finas capas orgánicas (<100μm) expuestas a ambientes húmedos (>60% de la humedad relativa).
Son filamentos estrechos que se propagan de manera no direccional. La anchura de estos filamentos son entre
0.05 – 3 mm.
Se puede remediar bajando la humedad relativa o utilizando un sistema multicapa.
2.2.6. Corrosión biológica general:
También llamada Corrosión Microbiológicamente Inducida (CMI). La MIC se produce generalmente en medios
acuosos donde los metales están sumergidos.
Los organismos biológicos son la causa única de este tipo de corrosión, o actúan como aceleradores del proceso
corrosivo localizado.
Los organismos biológicos presentes en el agua actúan en la superficie del metal, acelerando el transporte del
oxígeno a la superficie del metal, acelerando o produciendo, en su defecto, el proceso de la corrosión.
2.2.7. Corrosión selectiva:
Es el tipo de corrosión que se da en las aleaciones, el material innoble en la aleación es atacado y disuelto.
Existen dos metales propensos a este tipo de corrosión, son los llamados hierro colado y latón. El hierro colado
contiene entre un 3–4% de grafito, y bajo cierta circunstancia el hierro de sacrificará por el grafito, quedando en
la superficie como un recubrimiento. A este recubrimiento no le queda fuerza mecánica, aunque, el objeto parece
intacto. El grafito puede ser eliminado fácilmente con una cuchilla por ejemplo.
En el latón es el zinc el que se disuelve, mientras el cobre se mantiene como un recubrimiento poroso sin ninguna
fuerza mecánica de relieve. La disolución del zinc solo ocurrirá cuando el latón tenga un contenido de más del
15% de zinc. A niveles más bajo de Zinc, su disolución puede evitarse mediante la adición de mínimas cantidades
de otros materiales a la aleación, como por ejemplo el 0.05% de arsénico.
2.2.8. Corrosión por stress o tensión:
La fuerza mecánica hará que los metales absorban la energía en forma de tensión o fuerza. La energía de la tensión
permanece en el metal y puede llevar a la corrosión normalmente en forma de grietas. Los aceros inoxidables,
aluminio y latón son especialmente propensos a este tipo de corrosión.
La corrosión por tensiones puede evitarse si las curvaturas frías se tratan con calor posteriormente.
2.2.9. Corrosión por turbulencia:
Casi todos los daños en tuberías de cobre en los buques son debido a la corrosión por turbulencia. El motivo de
esta corrosión es una corriente local de turbulencia que a una cierta fuerza elimina la capa oxidada de la superficie
de cobre y continua eliminando capas de óxido, que acaba por modificar. La corrosión puede limitarse a un punto
local y penetrar la pared de la tubería en un corto periodo de tiempo. Si se intensifica la fuerza mecánica del agua,
aumentando por ejemplo la velocidad de esta, la intensidad del ataque corrosivo aumenta.
Este tipo de corrosión se identifica fácilmente por su aspecto característico. En el cobre normalmente se encuentra
picaduras muy bien definidas que normalmente están cortadas hacia la dirección de la corriente de agua. Estas
picaduras pueden aparecer en grupos o en solitario.
Localizamos dichas picaduras en bridas, codos, etc.
La corrosión por turbulencias puede evitarse mediante:
Reducción de la velocidad del agua a una menor de la que eliminaría las capas de óxido.
Evitar bridas, curvas, etc. en la medida de lo posible.
2.2.10. Corrosión por fatiga:
Los metales que están sujetos a influencias constantemente variables como por ejemplo, curvaturas, flexibilidades
o vibración que al mismo tiempo pueden corroerse, pueden llegar a la rotura por influencia mecánicas menores a
lo habitual. Esto se denomina corrosión por fatiga.
La mayoría de la grietas en las hélices se deben a la corrosión por fatiga.
La fatiga por corrosión puede ser neutralizada mediante:
La eliminación de influencia mecánica.
Refuerzos de la estructura, de modo que las influencias mecánicas no pasen la fatiga umbral.
2.2.11. Corrosión intercristalina:
Se trata de la destrucción del metal o la aleación a lo largo de los límites de los granos. La corrosión se propaga
a gran profundidad sin ocasionar cambios notables en la superficie y por eso puede ser causa de grandes e
imprevistas averías.
2.2.12. Corrosión por alta temperatura:
Algunos metales expuestos a gases oxidantes en condiciones de muy altas temperaturas, pueden reaccionar
directamente con ellos sin la necesaria presencia de un electrolito. Este tipo de corrosión es conocida como
empañamiento, escamamiento o corrosión por altas temperaturas.
Generalmente esta clase de corrosión depende directamente de la temperatura. Actúa de la siguiente manera: al
estar expuesto el metal al gas oxidante, se forma una pequeña capa sobre el metal, producto de la combinación
entre el metal y el gas en esas condiciones de temperatura. Esta capa o “empañamiento” actúa como un electrolito
“sólido”, el que permite que se produzca la corrosión de la pieza metálica mediante el movimiento iónico en la
superficie.
Algunas maneras de evitar esta clase de corrosión son las siguientes:
Alta estabilidad termodinámica, para generar en lo posible otros productos para reacciones distintas.
Baja Presión de Vapor, de forma tal que los productos generados sean sólidos y no gases que se mezclen
con el ambiente.
La corrosión por altas temperaturas puede incluir otros tipos de corrosión, como la oxidación, la sulfatación, la
carburización, los efectos del hidrógeno, etc.
2.2.13. Corrosión inducida químicamente:
Aparece producido por un deterioro del sistema de capas protector, quedando así desprotegido el sustrato del
metal y siendo atacado mediante productos químicos tales como ácidos fuertes o alcalinos.
2.2.14. Corrosión por fricción:
Es la corrosión que aparece en la interface de superficies metálicas en contacto y con cargas elevadas sujetas a
movimientos ligeramente vibratorios.
Este tipo de corrosión es frecuente en las superficies de los componentes de la maquinaria, como bielas, árboles
acanalados, soportes de carga, bastidores y a menudo causa fallos por fatiga.
2.2.15. Corrosión por cavitación:
Es la producida en zonas con grandes flujos y rápidos cambios de presión. Esto origina que las burbujas de gas
se destruyan y a la vez se produce una gran fuerza en la superficie del metal que puede llegar a eliminar el óxido
y da lugar a una superficie de metal activa.
Estos Contenidos, correspondiente al Módulo 8, serán evaluados al momento de reintegrarse a clases, por
tal motivo es importante que los estudies, ejercites y puedas complementar con información existente en la
web.