UNIVERSIDAD ALAS PERUANAS - FILIAL MOQUEGUACARRERA PROFESIONAL DE INGENIERA CIVILCURSO: DISEO EN ACERO Y MADERA

CAPITULO IINTRODUCCINEl trminoacerosirve comnmente para denominar, eningeniera metalrgica, a unamezcladehierrocon una cantidad decarbono variable entre el 0,03% y el 2,14% en masa de su composicin, dependiendo del grado. Si la aleacin posee una concentracin de carbono mayor al 2,14% se producenfundicionesque, en oposicin al acero, son mucho ms frgiles y no es posibleforjarlassino que deben sermoldeadas.No se debe confundir el acero con elhierro, que es unmetalduro y relativamente dctil, condimetro atmico(dA) de 2,48, con temperatura de fusinde 1535Cypunto de ebullicin2740C. Por su parte, el carbono es unno metalde dimetro menor (dA = 1,54), blando y frgil en la mayora de susformas alotrpicas(excepto en la forma dediamante). Ladifusinde esteelementoen la estructura cristalina del anterior se logra gracias a la diferencia en dimetros atmicos, formndose uncompuesto intersticial.La diferencia principal entre el hierro y el acero se halla en el porcentaje del carbono: el acero es hierro con un porcentaje de carbono de entre el 0,03% y el 1,075%, a partir de este porcentaje se consideran otras aleaciones con hierro.Cabe destacar que el acero posee diferentes constituyentes segn su temperatura, concretamente, de mayor a menor dureza, perlita, cementita y ferrita; adems de la austenita (para mayor informacin consultar el artculoDiagrama Hierro-Carbono).El acero conserva las caractersticas metlicas del hierro en estado puro, pero la adicin de carbono y de otros elementos tanto metlicos como no metlicos mejora suspropiedades fsico-qumicas.Existen muchos tipos de acero en funcin del elemento o los elementos aleantes que estn presentes. La definicin en porcentaje de carbono corresponde a losaceros al carbono, en los cuales este no metal es el nico aleante, o hay otros pero en menores concentraciones. Otras composiciones especficas reciben denominaciones particulares en funcin de mltiples variables como por ejemplo los elementos que predominan en su composicin (aceros al silicio), de su susceptibilidad a ciertos tratamientos (aceros de cementacin), de alguna caracterstica potenciada (aceros inoxidables) e incluso en funcin de su uso (aceros estructurales). Usualmente estas aleaciones de hierro se engloban bajo la denominacin genrica deaceros especiales, razn por la que aqu se ha adoptado la definicin de los comunes o "al carbono" que adems de ser los primeros fabricados y los ms empleados,sirvieron de base para los dems. Esta gran variedad de aceros llev aSiemensa definir el acero como un compuesto de hierro y otra sustancia que incrementa su resistencia.

CONCEPTOS GENERALES El acero es una aleacin de hierro con pequeas cantidades de otros elementos, es decir, hierro combinado con un 1% aproximadamente de carbono, y que hecho ascua y sumergido en agua fra adquiere por el temple gran dureza y elasticidad. Hay aceros especiales que contienen adems, en pequesima proporcin, cromo, nquel, titanio, volframio o vanadio. Se caracteriza por su gran resistencia, contrariamente a lo que ocurre con el hierro. Este resiste muy poco la deformacin plstica, por estar constituida solo con cristales de ferrita; cuando se alea con carbono, se forman estructuras cristalinas diferentes, que permiten un gran incremento de su resistencia. sta cualidad del acero y la abundancia de hierro le colocan en un lugar preeminente, constituyendo el material bsico del S.XX. Un 92% de todo el acero es simple acero al carbono; el resto es acero aleado: aleaciones de hierro con carbono y otros elementos tales como magnesio, nquel, cromo, molibdeno y vanadio.ORIGEN E HISTORIANo se conoce la fecha exacta en que se descubri la tcnica de fundir mineral de hierro para producir un metal susceptible de ser utilizado. Los primeros tiles de hierro descubiertos datan del ao 3000 a. C. pero se sabe que antes ya se empleaba este mineral para hacer adornos de hierro. Los griegos descubrieron hacia el 1000 a. C. una tcnica para endurecer las armas de hierro mediante un tratamiento trmico.Todas las aleaciones de hierro fabricadas hasta el siglo XIV d.c se clasifican en la actualidad como hierro forjado. Para obtener estas aleaciones, se calentaba en un horno una masa de mineral de hierro y carbn vegetal. Mediante este tratamiento se reduca el mineral a una masa esponjosa de hierro llena de escoria formada por impurezas metlicas y cenizas de carbn vegetal. Esta masa esponjosa se retiraba mientras permaneca incandescente y se golpeaba con pesados martillos para eliminar la escoria y darle una determinada forma. El hierro que se produca en estas condiciones sola tener un 3% de partculas de escoria y un 0,1% de otras impurezas. En algunas ocasiones, y por error, solan producir autentico acero en lugar de hierro forjado. Los artesanos del hierro acabaron por aprender a fabricar acero, calentando hierro forjado y carbn vegetal en un recipiente de arcilla durante varios das, con lo que el hierro absorba suficiente carbono para convertirse en acero.Despus del siglo XIV se aument el tamao de los hornos empleados para fundir. En estos hornos, el mineral de hierro de la parte superior se converta en hierro metlico y a continuacin absorba ms carbono debido a los gases que lo atravesaban. Como resultado daba arrabio, un metal que funde a temperatura menor que el hierro y el acero. Posteriormente se refinaba el arrabio para obtener acero.En la produccin moderna de acero se emplean altos hornos que son modelos perfeccionados de los que se usaban antiguamente. El arrabio se refina mediante chorros de aire. Este invento se debe a un britnico llamado Henry Bessemer, que en 1855 desarrollo este invent. Desde 1960 funcionan varios mini hornos que emplean electricidad para la produccin de acero a partir de chatarra pero las instalaciones de altos hornos son esenciales para producir acero a partir de mineral de hierro. ALEACIONES DEL ACERO Las clasificacionesnormalizadasde aceros como laAISI,ASTMyUNS, establecen valores mnimos o mximos para cada tipo de elemento. Estos elementos se agregan para obtener unas caractersticas determinadas comotemplabilidad,resistencia mecnica,dureza,tenacidad, resistencia aldesgaste,soldabilidadomaquinabilidad. A continuacin se listan algunos de los efectos de los elementos aleantes en el acero: Aluminio: se usa en algunos aceros de nitruracin al Cr-Al-Mo de alta dureza en concentraciones cercanas al 1% y en porcentajes inferiores al 0,008% como desoxidante en aceros de alta aleacin. Boro: en muy pequeas cantidades (del 0,001 al 0,006%) aumenta la templabilidad sin reducir la maquinabilidad, pues se combina con el carbono para formar carburos proporcionando un revestimiento duro. Es usado en aceros de baja aleacin en aplicaciones como cuchillas de arado y alambres de alta ductilidad y dureza superficial. Utilizado tambin como trampa de nitrgeno, especialmente en aceros para trefilacin, para obtener valores de N menores a 80 ppm.

Cobalto: muy endurecedor. Disminuye la templabilidad. Mejora la resistencia y la dureza en caliente. Es un elemento poco habitual en los aceros. Aumenta las propiedades magnticas de los aceros. Se usa en los aceros rpidos para herramientas y en aceros refractarios. Cromo: Forma carburos muy duros y comunica al acero mayor dureza, resistencia y tenacidad a cualquier temperatura. Solo o aleado con otros elementos, mejora la resistencia a lacorrosin. Aumenta la profundidad de penetracin del endurecimiento por tratamiento termoqumico como lacarburacino lanitruracin. Se usa enaceros inoxidables, aceros para herramientas y refractarios. Tambin se utiliza en revestimientos embellecedores o recubrimientos duros de gran resistencia al desgaste, como mbolos, ejes, etc. Molibdeno: es un elemento habitual del acero y aumenta mucho la profundidad de endurecimiento de acero, as como su tenacidad. Los aceros inoxidables austenticos contienen molibdeno para mejorar la resistencia a la corrosin. Nitrgeno: se agrega a algunos aceros para promover la formacin deaustenita. Nquel: es un elemento gammageno permitiendo una estructura austentica a temperatura ambiente, que aumenta la tenacidad y resistencia al impacto. El nquel se utiliza mucho para produciracero inoxidable, porque aumenta la resistencia a la corrosin. Plomo: el plomo no se combina con el acero, se encuentra en l en forma de pequesimos glbulos, como si estuviese emulsionado, lo que favorece la fcil mecanizacin por arranque de viruta, (torneado, cepillado, taladrado, etc.) ya que el plomo es un buen lubricante de corte, el porcentaje oscila entre 0,15% y 0,30% debiendo limitarse el contenido de carbono a valores inferiores al 0,5% debido a que dificulta el templado y disminuye la tenacidad en caliente. Se aade a algunos aceros para mejorar mucho la maquinabilidad. Silicio: aumenta moderadamente la templabilidad. Se usa como elemento desoxidante. Aumenta la resistencia de los aceros bajos en carbono. Titanio: se usa para estabilizar y desoxidar el acero, mantiene estables las propiedades del acero a alta temperatura. Se utiliza su gran afinidad con el Carbono para evitar la formacin de carburo de hierro al soldar acero. Wolframio: tambin conocido como tungsteno. Forma con el hierro carburos muy complejos estables y dursimos, soportando bien altas temperaturas. En porcentajes del 14 al 18%, proporcionaaceros rpidoscon los que es posible triplicar la velocidad de corte de los aceros al carbono para herramientas. Vanadio: posee una enrgica accin desoxidante y forma carburos complejos con el hierro, que proporcionan al acero una buena resistencia a la fatiga, traccin y poder cortante en los aceros paraherramientas.

PROPIEDADES MECNICAS DEL ACERO Aunque es difcil establecer las propiedades fsicas y mecnicas del acero debido a que estas varan con los ajustes en su composicin y los diversos tratamientos trmicos, qumicos o mecnicos, con los que pueden conseguirse aceros con combinaciones de caractersticas adecuadas para infinidad de aplicaciones, se pueden citar algunas propiedades genricas: Sudensidadmedia es de 7850kg/m. En funcin de la temperatura el acero se puede contraer, dilatar o fundir. Elpunto de fusindel acero depende del tipo de aleacin y los porcentajes de elementos aleantes. El de su componente principal, el hierroes de alrededor de 1.510C en estado puro (sin alear), sin embargo el acero presenta frecuentemente temperaturas de fusin de alrededor de 1.375C, y en general la temperatura necesaria para la fusin aumenta a medida que se aumenta el porcentaje de carbono y de otros aleantes. (excepto las aleacioneseutcticasque funden de golpe). Por otra parte el acero rpido funde a 1.650C.18 Su punto deebullicines de alrededor de 3.000C.19 Es un material muytenaz, especialmente en alguna de las aleaciones usadas para fabricar herramientas. Relativamentedctil. Con l se obtienen hilos delgados llamadosalambres. Esmaleable. Se pueden obtener lminas delgadas llamadashojalata. La hojalata es una lmina de acero, de entre 0,5 y 0,12mm de espesor, recubierta, generalmente de forma electroltica, porestao. Permite una buenamecanizacinenmquinas herramientasantes de recibir un tratamiento trmico. Algunas composiciones y formas del acero mantienen mayormemoria, y se deforman al sobrepasar sulmite elstico. Ladurezade los aceros vara entre la del hierro y la que se puede lograr mediante su aleacin u otros procedimientos trmicos o qumicos entre los cuales quiz el ms conocido sea eltemplado del acero, aplicable a aceros con alto contenido en carbono, que permite, cuando es superficial, conservar un ncleo tenaz en la pieza que evite fracturas frgiles. Aceros tpicos con un alto grado de dureza superficial son los que se emplean en las herramientas de mecanizado, denominadosaceros rpidosque contienen cantidades significativas decromo,wolframio,molibdenoyvanadio. Los ensayos tecnolgicos para medir la dureza sonBrinell,VickersyRockwell, entre otros. Se puedesoldarcon facilidad. Lacorrosines la mayor desventaja de los aceros ya que el hierro seoxidacon suma facilidad incrementando su volumen y provocando grietas superficiales que posibilitan el progreso de la oxidacin hasta que se consume la pieza por completo. Tradicionalmente los aceros se han venido protegiendo mediantetratamientos superficiales diversos. Si bien existen aleaciones con resistencia a la corrosin mejorada como losaceros de construccin cortenaptos para intemperie (en ciertos ambientes) o los aceros inoxidables. Posee una altaconductividad elctrica. Aunque depende de su composicin es aproximadamente de203106S/m. En laslneas areas de alta tensinse utilizan con frecuencia conductores de aluminio con alma de acero proporcionando ste ltimo la resistencia mecnica necesaria para incrementar los vanos entre la torres y optimizar el coste de la instalacin. Se utiliza para la fabricacin deimanes permanentes artificiales, ya que una pieza de acero imantada no pierde su imantacin si no se la calienta hasta cierta temperatura. La magnetizacin artificial se hace por contacto, induccin o mediante procedimientos elctricos. En lo que respecta al acero inoxidable, alacero inoxidable ferrticos se le pega el imn, pero alacero inoxidable austenticono se le pega el imn ya que la fase del hierro conocida como austenita no es atrada por los imanes. Los aceros inoxidables contienen principalmentenquelycromoen porcentajes del orden del 10% adems de algunos aleantes en menor proporcin. Un aumento de latemperaturaen un elemento de acero provoca un aumento en la longitud del mismo. Este aumento en la longitud puede valorarse por la expresin: L = t L, siendo a elcoeficiente de dilatacin, que para el acero vale aproximadamente 1,2105(es decir = 0,000012). Si existe libertad de dilatacin no se plantean grandes problemas subsidiarios, pero si esta dilatacin est impedida en mayor o menor grado por el resto de los componentes de la estructura, aparecen esfuerzos complementarios que hay que tener en cuenta. El acero se dilata y se contrae segn un coeficiente de dilatacin similar al coeficiente de dilatacin delhormign, por lo que resulta muy til su uso simultneo en la construccin, formando un material compuesto que se denominahormign armado.21El acero da una falsa sensacin de seguridad al ser incombustible, pero sus propiedades mecnicas fundamentales se ven gravemente afectadas por las altas temperaturas que pueden alcanzar los perfiles en el transcurso de un incendio.DesgasteEs la degradacin fsica (prdida o ganancia de material, aparicin de grietas, deformacin plstica, cambios estructurales como transformacin de fase o recristalizacin, fenmenos de corrosin, etc.) debido al movimiento entre la superficie de un material slido y uno o varios elementos de contacto.

FABRICACIN DEL ACERO SIDERURGIA

La siderurgia es la tecnologa relacionada con laproduccindel hierro y sus aleaciones, en especial las que contiene un pequeo porcentaje de carbono, que constituyen los aceros. En general, el acero es una aleacin de hierro y carbono a la que suelen aadirse otros elementos. Algunas aleaciones denominadas hierros contienen ms carbono que algunos aceros comerciales. Los distintos tipos de aceros contienen entre el 0,04 y el 2.25% de carbono. El hierro colado, el hierro colado maleable y el arrabio contienen entre un 2 y un 4% de carbono. Para fabricar aleaciones de hierro y acero se emplea un tipo especial de aleaciones de hierro denominadas ferroaleaciones, que contienen entre un 20 y un 80% del elemento de aleacin, que pueden ser manganeso, silicio o cromo.ACERO DE HORNO ELECTRICOEn algunos hornos el calor para fundir y refinar el acero procede de la electricidad y no de la combustin de gas. Como las condiciones de refinado de estos hornos se pueden regular ms estrictamente, los hornos elctricos son sobre todo tiles para producir acero inoxidable y aceros aleados que deben ser fabricados segn unas especificaciones muy exigentes. El refinado se produce en una cmara hermtica, donde la temperatura y otras condiciones se controlan de forma rigurosa mediante dispositivos automticos. En las primeras fases de este proceso de refinado se inyecta oxgeno de alta pureza para aumentar la temperatura del horno y disminuye el tiempo necesario para producir el acero.En la mayora de los casos, la carga est formada casi exclusivamente pormaterial dechatarra. Antes de poder utilizarla, la chatarra debe ser analizada y clasificada. Tambin se aaden otros materiales, como pequeas cantidades de mineral de hierro y cal seca, paracontribuira eliminar el carbono y otras impurezas. Los elementos adicionales para la aleacin se introducen con la carga o despus, cuando se vierte a la cuchara de acero.

Colada del aceroDespus que el metal ha quedado fundido en los hornos, se vierte en un aditamento llamado cuchara. Estas cucharas son recipientes de acero remachados, revestidos con ladrillos dechamota. Estas cucharas tienen en su parte inferior o fondo del recipiente, un orificio para la salida del metal fundido, que se cierra a voluntad a partir de un tapn de material refractario que se mueve por un mecanismo de retencin.

La colada del acero en lingotera: (recipientes de paredes gruesas construidos normalmente con fundicin).Las lingoteras se colocan sobre unas placas de hierro fundido que tienen una serie de canales o ramificaciones, en donde se colocan los conductores de ladrillo reflactario y el bebedero o "REINA".A los lingotes de aceros especiales siempre se les pone en la parte de la cabeza lo denominado mazarota, que consiste en una pieza de cermica revestida interiormente de un material exotrmico y a la que ese adiciona en el momento de la llegada del acero al final del llenado, nuevamente material exotrmico, con el fin de aumentar la temperatura en esa zona y ser la parte de enfriamiento lento del lingote, de manera que se concentre en esa zona el fenmeno de contraccin del paso lquido a slido (rechupe). Tambin en esta zona es donde ms concentracin existe de segregacin principal y donde quedan decantadas las inclusiones no metlicas ms gruesas, que por ser de menor densidad que el acero flota en las zonas lquidas que solidifican ltimamente.Durante la colada se debe proteger el chorro de acero entre la cuchara y el bebedero para evitar oxidaciones del chorro y por tanto disminucin de las inclusiones oxidas.Durante la ascensin del caldo, para impedir el contacto de la superficie del acero con el aire, se adicionan productos llamados "pielizantes", que tambin cumplen la labor de lubricar el contacto caldo-lingotera; formando una nueva pelcula, que posteriormente mejora la superficie de la piel de los lingotes, favoreciendo las transformaciones posteriores. El acero despus de la colada se deja reposar durante un tiempo determinado en la lingotera para que termine de solidificar y despus se "desmoldan", procurando siempre que la temperatura sea superior a los 800 C, trasladndolos a continuacin a los hornos de calentamiento para transformacin por laminacin o forja.

La colada continua: De la cuchara se vierte el chorro en una "ARTESA" (es una especie de distribuidor del caldo) y de la artesa se vierte en un molde de fondo desplazable y cuya seccin transversal tiene la forma de palanquilla o semi producto que se quiera fabricar.Se denomina continua porque el producto sale sin interrupcin de la mquina, hasta que la cuchara o cucharas de alimentacin se hayan agotado.El chorro, tanto al pasar de la cuchara a la artesa como al pasar de sta al molde, es protegido de la atmsfera con buzas sumergidas.Para iniciar la operacin de la colada continua, se cierra el fondo del molde con un cabezal metlico que tiene la seccin del molde unido a una barra metlica larga (FALSA BARRA), de esta forma queda tapado el fondo del molde evitando que el caldo caiga al vaco. Poco despus, a medida que el caldo pasa por el molde va arrastrando a la barra que finalmente se desprende y es retirado hasta que sea necesario iniciar una nueva colada.

Transformacin en caliente del acero Tanto la laminacin en caliente como la forja son tratamientos metalrgicos que mejoran la homogeneidad del acero reduciendo los efectos de la segregacin, aumentan la compacidad soldando las discontinuidades internas no oxidadas y afinan el grano de austenita. La formacin de fibra (estiramiento de las impurezas o inclusiones) genera propiedades direccionales, mejorando las longitudinales en detrimento de las transversales.Laminacin en caliente: Consiste en hacer pasar un material (lingote o semiproducto) entre dos rodillos o "CILINDROS" , que giran a la misma velocidad en sentidos contrarios, y reducir la seccin transversal mediante la presin ejercida por estos.Las fases principales de un proceso de laminacin en caliente son:Calentamiento: Las instalaciones de calentamiento ms usuales son: hornos de empuje, de largeros, de fosa, de vagonetas o carros, durmientes o carros, etc.Los hornos de empuje o con ligeros matices los de carros, son instalaciones que disponen de una cmara alargada, con una boca de entrada (boca de carga) de los lingotes fros y otra boca de salida por donde salen los lingotes calientes, construida con ladrillo reflactario o modernamente manta aislante, revestida exteriormente de chapa. A lo largo del horno existen varios mecheros calentadores de gas o fuel-oil repartidos por zonas de calentamiento.Los hornos de fosa son instalaciones compuestas normalmente por varias cmaras en forma de fosa cubiertas por una tapadera mvil. Las fosas disponen de uno o varios mecheros de gas o fuel. Los lingotes se disponen normalmente en posicin vertical, se meten y sacan de uno en uno por medio de una gra especial.El ciclo trmico seguido es: rampa de calentamiento, mantenimiento a la temperatura de laminacin segn geometra del lingote y calidad del acero.Laminacin: El tren de laminacin es el conjunto de "cajas laminadoras" donde se realiza el proceso de laminacin. Cuando por estas cajas el material slo pasa una vez, estando una caja a continuacin de otra se llama "tren continuo".Para conseguir que el lingote o la palanquilla de salida adquieran la forma deseada es necesario que el material sufra una serie de pasadas por varios cilindros. Para ello hay que disear previamente los canales de los cilindros para que secuencialmente conformen el lingote o palanquilla a la configuracin geomtrica final.Corte y enfriamiento: Tras la laminacin del desbaste hay que cortar los extremos del lingote para eliminar la mazarota y el pie. Esta operacin se realiza por cizalladura o por sierra en caliente.El enfriamiento debe estar muy controlado para que no se produzcan agrietamientos superficiales y estalladuras en las barras.La forja:es el proceso que modifica la forma de los metales por deformacin plstica producida por presin o impacto. Esta deformacin controlada del metal, realizada a alta temperatura, produce mejor calidad metalrgica y mejora las propiedades mecnicas.Al calentarla es importante conseguir la uniformidad de temperatura en toda la pieza. Si el corazn del lingote o desbaste est "fro" (menos de 1250 C) pueden aparecer roturas internas, al no tener la misma plasticidad que la superficie.Forja libre: se caracteriza porque la deformacin del metal no est limitada. Es utilizado cuando la cantidad de piezas a fabricar es pequea o si el tamao de la pieza a forjar es muy grande.Existen dos tipos de forja libre: la forja con martillo, donde el lingote del desbaste se apoya en yunque inferior y este a su vez en la "chabota" producindose la deformacin por los fuertes golpes de la maza que cae sobre el lingote; y la forja en prensa, los lingotes grandes se sitan entre el yunque superior y el inferior de prensas hidrulicas.Forja por estampacin: la fluencia del material queda limitada a la cavidad de la estampa. El material se coloca entre dos matrices que tienen huecos grabados con la forma de la pieza que se desea obtener. El metal llena completamente los huecos de la estampa por medio de golpes o presin empleando martillos o prensas. El proceso de estampado termina cuando las dos matrices llegan a ponerse prcticamente en contacto.Se puede realizar en caliente (unos 1000C), en semicaliente (entre 850C y 1250C) o en fro (temperatura ambiente).

EL ACERO PARA USO ESTRUCTURAL