Tema 3: Materiales metálicos siderúrgicos.1. Materiales metálicos y Aleaciones.

2. Aceros y fundiciones: el sistema hierro-carbono.

3. Tipos de aceros.

4. Tratamientos térmicos de los aceros

5. Fabricación y conformación de productos de acero.

6. Protección de los aceros (ambiente y fuego)

MATERIALES IICurso 2016-2017. Ciencia y Tecnología de la Edifica ción. C. Guadalajara

Profesor Gonzalo Barluenga Badiola

Estructura de los metales (Temas 1 y 2)• Escala atómica:

• Están compuestos por átomos metálicos, que cedenfácilmente electrones y forman enlaces metálicos.

• Escala microestructural:

• Los cristales metálicos perfectos son frágiles.

• La existencia y cantidad de defectos modifican sucomportamiento:

Las dislocaciones (defectos lineales) aumentan laplasticidad y reducen la resistencia.

Las impurezas y el menor tamaño de grano aumentan laresistencia y la fragilidad.

Materiales metálicos• Son materiales sólidos policristalinos (cristales metálicos)

compuestos por elementos metálicos (enlace metálico)

• Se obtienen por procesado de minerales que contienencompuestos metálicos (óxidos, carbonatos, sulfuros, …)

• La Metalurgia trata las operaciones necesarias paraseparar los metales (mena) de las impurezas (ganga).

• Las aleaciones son mezclas de metales (o en las quepredominan los metales) que forman sistema (materialespolifásicos). Aleaciones utilizadas en construcción:

Aleaciones ferrosas: Aceros y fundiciones

Aleaciones no ferrosas: Bronce (cobre y estaño)Latón (cobre y cinc)

El sistema hierro-carbono

• La obtención del hierro se realiza por reducción delóxido de hierro con carbón en un alto horno (arrabio).

• El arrabio se oxida para disminuir el contenido decarbono (refinado) y otras impurezas (azufre y fósforo).

• Una parte del carbono restante se combina con el hierro(cementita) y otra se disuelve (ferrita y austenita).

• El contenido de cada fase depende de la composición yvelocidad de enfriamiento del material.

• Se representa mediante un Diagrama de fases (Tema 1).

Fabricación del acero

Aceros y fundiciones

• Son aleaciones siderúrgicas de hierro y carbono.

• La Siderurgia es la rama de la metalurgia que trata elprocesado de los compuestos de hierro (alotrópico).

• Se diferencian en el contenido de carbono:

Fundiciones: contenido de carbono > 2 %.

Aceros: contenido de carbono < 2 %.

• Las fundicionesson fácilmente moldeables en caliente,duras, resistentes y frágiles.

• Los aceros son forjables y conformables, tienen altaresistencia, ductilidad y tenacidad.

Tienen que protegerse de lacorrosióny el fuego.

Fundiciones

• Son aleaciones siderúrgicas con un contenido encarbono del 2-7 %.(El exceso de carbono produce depósitos de grafito, quees un material duro, resistente y frágil).

• Las más importantes son:Fundición gris: presentan el carbono en forma de grafito laminar: la cementita se transforma en ferrita y grafito. Son fácilmente mecanizablesFundición blanca: el carbono aparece en forma de cementita. Tienen una alta resistencia, dureza y fragilidad, por lo que son más difíciles de mecanizarAplicaciones en construcción: tuberías de presión paraconducción de agua, radiadores, …

Aceros

• Son aleaciones siderúrgicas (materiales polifásicos) conun contenido en carbono inferior al 2 %.

• Sus propiedades físicas y mecánicas dependen de sucomposición y de los tratamientos aplicados durante elprocesado.

• La composición afecta a las fases que contiene y a losdefectos puntuales de su microestructura.

• Los tratamientos pueden ser de tipo térmico o mecánico(conformación de producto a alta o baja temperatura).

• Afectan a la microestructura, las fases presentes, losdefectos lineales y superficiales, etc.

Tipos de aceros en construcción

• Los más importantes son:• Aceros al carbono: Son la mayor parte de los aceros de

construcción. Son soldables.• Aceros aleados: Tienen otros metales aleados que

modifican sus propiedades (físicas y mecánicas).Aceros inoxidables: Contienen Cr, Ni u otros elementosen aleación que aumentan la resistencia a la oxidación.Aceros Patinables (Cortén): Tienen una Pátina de aceroaleado (herrumbre adherente y muy poco porosa) queprotege de los procesos de corrosión-oxidación

• Acero galvanizado: Acero recubierto por una capacristalizada de cinc, que lo protege de la oxidación.

Acero galvanizado

Aceros inoxidables

• El acero inoxidablecontiene como mínimo un 10,5%de cromo, menos del 1,2% de carbono y otroscomponentes de aleación.

• El cromo le da la resistencia a la corrosión (crea sobrela superficie una capa de óxido de cromo).

• Los más importantes son:Ferríticos: no contiene níquelAusteníticos: Contiene niquel. Elevada ductilidad.Martensíticos: Mayor resistencia mecánica pero bajaresistencia a la corrosión.Dúplex: características del acero inoxidable austeníticoy de las del acero al carbono. resistencia elevada a lacorrosión y elevadas características mecánicas

• Algunos son soldables en condiciones controladas.

Tratamientos térmicos de los aceros

• Variando el calentamiento/enfriamiento se puedenmodificar las propiedades de los aceros al carbono.

• Tipos de tratamientos:

Recocido: Recalentamiento del acero para reducir lastensiones producidas por el trabajo en frío.

Normalizado: Calentamiento y enfriamiento al aire pararefinar la estructura e incrementar la resistencia.

Templado: enfriamiento rápido (en agua) del acero enforma austenítica. Produce martensita que es muy dura.

Revenido: Calentamiento de un acero templado a bajastemperaturas para hacerlo más blando y dúctil.

Tratamientos térmicos de los aceros

Conformación de productos de acero

• Son las técnicas para obtener productos de acero.

• Trabajo en frío: deformación a baja temperatura.

Produce un desplazamiento de las dislocaciones y elaumento de la resistencia (endurecimiento).

Técnicas: laminado, extrusión, trefilado, plegado, …

• Trabajo en caliente: Deformación a temperaturasuperior a la de recristalización del acero.

Se puede deformar a tensión constante (plastificación).

• Moldeado: se vierte el acero en estado líquido en unmolde y se deja enfriar.

Procesos de conformación

Laminación en frío

Comportamiento mecánico de los

aceros

Endurecimiento por deformación en frío

Deformación elástica (recuperable)

Carga

Recarga

Descarga

Incremento del límite elástico

Durabilidad de metales siderúrgicos

• Los metales pueden sufrir degradación por diferentesfenómenos:

Oxidación: por combinación con oxígeno.

Se forman costras de óxido metálico que pueden serimpermeables y proteger al metal (cobre) o permeables(herrumbre u orín en el hierro).

Corrosión: Debida a la exposición de los metales a losagentes ambientales (humedad, CO2 o sales) o a lapresencia de otros metales con diferenteelectronegatividad (pares galvánicos).

Fuego: Plastificación con la temperatura.

Protección de metales siderúrgicos• Existen diferentes agentes que pueden afectar a la

durabilidad (oxidación + corrosión, fuego)

• Protección contra agentes ambientales:

Evitando el contacto entre metales diferentes.(Interposición de láminas poliméricas o materiales conmenor electronegatividad-protección catódica)

Modificando su Composición (Acero inox. y Cortén)

Mediante Tratamientos superficiales:

Recubrimientos electrolíticos (galvanizado)

Pinturas y lechadas (reposición periódica)

Pátinas de óxido (Acero Cortén)

• Protección contra fuego: recubrimientos y pinturas

Protección catódica de acero

http://www.frlp.utn.edu.ar/materias/protecmat/proteccioncatodica.pdf

MAPEI

Protección de acero aleado patinable (cortén)

Protección de metales siderúrgicos

Protección a fuego de acero

Reacción y Resistencia al fuego• Reacción al fuego: Es la respuesta delos materiales

frente a fuego. Es una característica propia de un materialo producto y determina la magnitud relativa con la quepuede favorecer el inicio y desarrollo de un incendio.

• No confundir con Resistencia al Fuego.

• Resistencia al fuego: es la característica que correspondea una solución constructiva, por la cual se determina lacapacidad de resistir en el tiempo, a la acción del fuego. :Los cambios en la microestructura reducen la capacidadmecánica.

Clases de Materiales por su Reacción al fuego

• Clasificación: Euroclases

- Incombustible A1, A2

- Combustible, no inflamable B

- Inflamabilidad Baja C

- Inflamabilidad Media D

- Inflamabilidad Alta E

- Sin Clasificar F

- Producción de humos s1, s2, s3

- Caída de gotas d0, d1, d2

Resistencia a fuego

• Determina el tiempo en que un elemento constructivomantiene sus propiedades frente a la acción de un fuego.

• Se ensayan en hornos de grandes dimensiones.

• Clasificación:

(Designación + tiempo en minutos en módulos de 15 min)

Clasificación EuropeaAislamiento (I)

Capacidad Portante (R)Integridad (E)

(V. P. Silva 2006)

Tema 3: Materiales metálicos siderúrgicos.1. Materiales metálicos y Aleaciones.

2. Aceros y fundiciones: el sistema hierro-carbono.

3. Tipos de aceros.

4. Tratamientos térmicos de los aceros

5. Fabricación y conformación de productos de acero.

6. Protección de los aceros (ambiente y fuego)

Glosario de conceptos del Tema•Materiales metálicos •Acero •Revenido

•Sistema hierro-carbono •Tipos de acero •Técnicas de conformación

•Siderurgia •Aceros al carbono •Trabajo en frío

•Metales siderúrgicos •Aceros aleados •Trabajo en caliente

•Fundición •Acero galvanizado •Moldeado

•Fundición gris •Acero patinable •Comportamiento mecánico

•Fundición blanca •Aceros inoxidables •Durabilidad

•Aplicaciones •Tipos de inoxidable •Protección

•Tratamientos térmicos •Protección al fuego

•Recocido •CTE DB SI

•Normalizado •Reacción al fuego

•Templado •Resistencia a fuego

Bibliografía de consulta recomendada.

• Alamán, A; Materiales metálicos de construcción, Ed. COICCP, 2000

• Araujo, R. y Seco, E.; Construir arquitectura en España con acero, ENSIDESA, 1994(Reeditado)

• Araujo, R. Construir con acero. Arquitectura en España 1993-2007, APTA, 2009.

• www.constructalia.es

• https://sites.google.com/site/conocerlosmateriales/conformacion-de-los-aceros

• Código Técnico de la Edificación. DB-SE-A. DB-SI