Diseño de Estructuras de Concreto Con Criterios de Durabilidad
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DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE CONCRETO CON CRITERIOS DE DURABILIDAD Resumen El Concreto es el material de construcción más utilizado en las sociedades industrializadas. Sus prestaciones mecánicas y la poca necesidad de mantenimiento le han hecho el material más competitivo de entre todos los posibles. Sin embargo, en ambientes muy agresivos, su durabilidad se acorta debido a la corrosión de la armadura de acero. El propósito de este trabajo es básicamente el reunir los conocimientos de investigaciones recientes en durabilidad del concreto en ambiente marino y transferir esta información para incluir un ‘modelo de durabilidad’ al diseño estructural del elemento de concreto. El ejemplo que se presenta, aunque pequeño en dimensiones, expone paso-a-paso la metodología para el diseño de un elemento estructural por durabilidad.
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DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE CONCRETO CON CRITERIOS DE
DURABILIDAD
Resumen
El Concreto es el material de construcción más utilizado en las
sociedades industrializadas. Sus prestaciones mecánicas y la poca
necesidad de mantenimiento le han hecho el material más competitivo
de entre todos los posibles. Sin embargo, en ambientes muy
agresivos, su durabilidad se acorta debido a la corrosión de la
armadura de acero.
El propósito de este trabajo es básicamente el reunir los
conocimientos de investigaciones recientes en durabilidad del concreto
en ambiente marino y transferir esta información para incluir un
‘modelo de durabilidad’ al diseño estructural del elemento de concreto.
El ejemplo que se presenta, aunque pequeño en dimensiones, expone
paso-a-paso la metodología para el diseño de un elemento estructural
por durabilidad.
Este trabajo se divide en seis capítulos. Primero se presenta una
breve introducción de los modelos más comunes encontrados en la
literatura, las definiciones de la terminología más usada en durabilidad,
así como la metodología para el diseño de elementos de concreto con
criterios de durabilidad. El segundo capítulo detalla, en base a los
conocimientos que a la fecha se presentan en la literatura
internacional, una ecuación empírica para proyectar el periodo de
iniciación de la corrosión (T1) de una estructura de concreto expuesta
a un ambiente marino.
En la tercera parte se muestra el modelo empírico para determinar la
duración del periodo de propagación de la corrosión (T2) del modelo
de durabilidad propuesto. El cuarto capítulo expone el procedimiento
para el diseño integral (acciones mecánicas y durabilidad) de un
elemento estructural (viga isostática); y por último, en las secciones
quinta y sexta se lista el sumario, las referencias. El anexo con el
diseño integral completo, es presentado al final de este reporte.
1 Introducción
1.1 Antecedentes Generales
En los últimos veinte años el término “durabilidad” se ha estado
escuchando con más frecuencia en la rama de la ingeniería civil.
Países industrializados como los EEUU y algunos en Europa (España,
Francia, Gran Bretaña, etc.), al igual que Japón, han tomado a la
durabilidad como un tema de gran importancia, invirtiendo sumas
millonarias en estudios de investigación específicos.
Hace poco tiempo, aproximadamente una década, estos países han
estado intentando incluir en sus códigos de diseño recomendaciones
básicas para obtener un mejor uso de los materiales y así poder
fabricar estructuras más durables. El principio fundamental de estas
recomendaciones ha sido proporcionar las bases para el diseño por
durabilidad de estructuras bajo condiciones ambientales diversas.
Aunque innovadoras en su época, estas recomendaciones no
contemplan la determinación directa de la durabilidad, sino
proporcionan las reglas de ‘que se debe y no hacerse’ para obtener
estructuras durables a diversos agentes externos.
En Latinoamérica un esfuerzo similar se realizó en el año 1997 al
presentarse el reporte de la Red Temática DURAR , en el cual se
presentaron algunos conceptos básicos sobre evaluación,
mantenimiento, reparación y/o rehabilitación de obras de concreto
armado dañadas principalmente por corrosión de la armadura (barras
de refuerzo).
No es hasta el año 1996 cuando en el reporte técnico 130-CSL de la
RILEM
“Durability Design of Concrete Structures,” se propuso una
metodología más completa sobre el tema de diseño por durabilidad.
Este reporte (único en su género), se enfocó principalmente a asociar,
por un lado, el diseño estructural por carga última y revisar las
dimensiones diseñadas por durabilidad. Este reporte estipula que: “Las
estructuras deben de ser diseñadas de tal manera que su nivel mínimo
de confiabilidad se asegure durante la vida útil propuesta, a pesar de
degradaciones y envejecimiento de los materiales.” Una oración que al
juicio del presente autor podría definir exactamente al concepto de
durabilidad.
Es de primordial importancia cambiar la mentalidad del ingeniero (en
particular del ingeniero civil) con relación al diseño de una estructura, o
elemento estructural: es necesario el diseño por cargas y por
durabilidad conjuntamente para generar estructuras con una relación
de costo/beneficio rentable. Este trabajo presenta la metodología para
el diseño por durabilidad de estructuras de concreto expuestas a un
ambiente marino. Se pretende que este trabajo sirva también para
iniciar al ingeniero civil o estructurista en el ‘arte’ de selección de un
concreto (o propiedades de la mezcla del concreto) y obtener así un
elemento estructural cuya vida útil se maximize.
1.2 Planteamiento del Problema
Las estructuras de concreto son regularmente consideradas como
estructuras durables con un bajo costo de mantenimiento. Sin
embargo, en las últimas tres décadas, se ha observado un incremento
en agrietamientos y de laminaciones de elementos de concreto
relacionados con la corrosión de la armadura de acero en el ámbito
mundial.
La interacción del concreto para con el acero de refuerzo (o pre-
esfuerzo) se basa en que el concreto provee al refuerzo una
protección tanto química como física en contra de la corrosión. La
protección química se debe a la alcalinidad del concreto, la cual
produce una capa de óxido (del orden de un par de nanometros) en la
superficie del acero impidiendo que el acero continúe corroyéndose. A
este fenómeno se le denomina pasividad [5], ya que la capa de óxido
evita la propagación de la corrosión del acero. Esta alcalinidad del
concreto, es debida principalmente al hidróxido de calcio (CH) que se
forma durante la hidratación de los silicatos (C2S, C3S, C3A, C4AF)
del cemento y a los álcalis (sodio y potasio), que pueden estar
incorporados como sulfatos en el clinker [6]. Estas sustancias sitúan el
pH de la fase acuosa contenida en los poros del concreto en valores
entre 12,6 y 14 [7], es decir, en el extremo más alcalino de la escala
de pH. El concreto también funciona como una capa física protectora
en contra de los agentes ambientales (oxígeno, agua, cloruros, dióxido
de carbono) que puedan despasivar al acero e iniciar su corrosión.
Sin embargo en un ambiente marino, los iones cloruro del agua de mar
se acumulan en la superficie del concreto y lentamente se transportan
a través del recubrimiento de concreto hasta llegar a la armadura.
Cuando la concentración de los iones cloruro en la superficie del acero
de las armaduras alcanza valores que exceden un nivel crítico
(denominado CCRIT en este reporte), la protección de la armadura
corre el peligro de desaparecer y la corrosión puede desencadenarse.
Cuando el acero embebido en concreto se corroe, se reduce la
sección de la barra de refuerzo de acero, ya que el fierro contenido en
el acero reacciona con el oxígeno presente y se forma una capa de
productos de corrosión (óxido o hidróxido de fierro) en el perímetro de
la barra. El volumen ocupado por dicho óxido (o hidróxido) es mayor
que el que ocupaba el acero original creando presiones contra el
concreto, que rodea al acero, esto propiciando la formación de grietas
y desprendimientos del concreto. Estas grietas y/o desprendimientos
del recubrimiento de concreto además de ser antiestéticas, pueden
disminuir el anclaje del acero y, potencialmente, la resistencia del
elemento estructural.
1.3 Conceptos Básicos de Durabilidad
1.3.1 Funcionalidad y Durabilidad
La funcionalidad es una cantidad cuantificable que está en función de
la capacidad de carga de la estructura. La funcionalidad (o capacidad
de carga) se cuantificará en este estudio basándose en el tiempo que
se pretende dure la estructura. Cuando el concepto tiempo entra en
juego en la evaluación de la funcionalidad de una estructura, varios
factores externos (o factores de degradación) resultan en un primer
plano. Como la funcionalidad está íntimamente relacionada con la
durabilidad de una estructura, ésta se puede definir como la habilidad
de mantener la funcionalidad requerida
1.3.2 Degradación
El concepto de degradación es, por definición, el decremento gradual
de la funcionalidad de la estructura con el tiempo [4]. Se puede
cuantificar a la degradación como el inverso de la funcionalidad.
1.3.3 Vida Util
El reporte de la Red Temática DURAR [3] propone una definición clara
para el concepto de vida útil de una estructura: “periodo en el que la
estructura conserva los requisitos del proyecto sobre seguridad,
funcionalidad y estética, sin costos inesperados de mantenimiento.” Es
decir si la estructura careciera de cualquiera de estas tres propiedades
(seguridad, funcionalidad y estética), ésta ya sobrepasó el periodo de
su vida útil. En el diseño de estructuras por durabilidad el
requerimiento de la vida útil de la estructura puede ser definido de
antemano por el cliente, por lo que se le llamará vida útil de servicio,
TVU.
Como un ejemplo se presenta en la Figura 1.1 una fotografía tomada
de la subestructura de un puente en el estado de Tamaulipas (en
Tampico) la cual presenta fisuras o grietas en la superficie del concreto
en una zapata. Estas grietas aparentemente fueron producidas por
que las barras de refuerzo ya se encontraban corroyéndose. El sensor
mostrado en la Figura
1.1 pertenece al equipo utilizado para determinar si la varilla se
encontraba en el proceso de corrosión. Si se sigue la definición
“al pie de la letra” de vida útil, esta zapata puede conservar su
seguridad y funcionalidad, pero no es estética por la apariencia
de dicha grieta. Por lo tanto, ese elemento en particular podría
haber sobrepasado su vida útil y necesitaría ser reparado.
Fotografía de una zapata de un puente en el estado de Tamaulipas en donde
se observaron grietas producto de la corrosión del acero de refuerzo. La
fotografía también muestra el sensor utilizado para determinar la velocidad
de corrosión de una de las varillas afectadas por corrosión.
1.3.4 Vida Residual
“Se entiende por vida residual el tiempo a partir del momento que la
estructura alcanza el anterior límite aceptable (fin de la vida útil). [3]”
Este es el periodo en el que la estructura necesitaría reparación,
remodelación o completa renovación para que regrese a su estado de
servicio original; esto es que sea segura, funcional y estética.
En pocas palabras, la etapa de vida residual es el tiempo que tiene el
dueño de la estructura, o elemento estructural, para repararla antes
que la degradación avance hasta el límite de posible colapso. Un
ejemplo de este estado límite se presenta en la Figura 1.2, la cual fue
tomada de la losa de otro puente en el estado de Michoacán (20 Km al
sur de Morelia). La losa mostrada presenta desprendimiento notorio
del recubrimiento, producido por la corrosión severa de la varilla de
refuerzo. Por definición esta losa se encuentra más allá de su vida útil,
ya que la degradación que presenta esta más allá de una simple grieta
o mancha de óxido. Esta degradación inclusive puede ser suficiente
para producir una falla local en ese puente. Una reparación es
inminente antes de que se produzca un colapso (o falla) de la losa.
1.3.5 Estado Límite de Servicio (ELS) y Estado Límite Ultimo (ELU)
Los valores mínimos de servicio (o valores máximos aceptables de
degradación) son llamados los estados límites de la durabilidad de una
estructura.
El primero (ELS) correspondería al punto en el tiempo el cual la
estructura ha llegado a su vida útil, o sea, “es el estado en el cual los
requerimientos de servicio de una estructura o elemento estructural
(seguridad, funcionalidad y estética) ya no se cumplen. [8]” En este
trabajo el ELS será el tiempo en el que la manifestación de daños
externos por la formación de grietas con ancho no mayor a 0.1mm es
visible.
Figura 1.2 – Estado que presenta un puente en el estado de Michoacán en
donde se aprecia el daño tan avanzado de la losa producto de la corrosión
de la varilla de refuerzo.
El ELU, en el segundo caso, es el estado en que la estructura o elemento
estructural
“se encuentra asociado con colapso u otra formal similar de falla estructural.
[8]” En este reporte, se define al ELU como al tiempo en el cual la estructura
llega a un estado de degradación inaceptable antes de que sufra un colapso
inminente: ELU < TCOLAPSO.
La Figura 1.3 presenta el modelo de degradación que se emplea en este
trabajo, la cual incluye los diferentes conceptos ya definidos. Este modelo es
explicado con más detalle en los Capítulos 3 y 4.
1.3.6 Probabilidad de Falla
La probabilidad de falla se podría definir como la probabilidad de exceder
cierto estado límite, ya sea el ELS o el ELU [4]. El término ‘falla por
durabilidad’ es usado cuando existe una falla por degradación del material
en una estructura o elemento estructural, en comparación de ‘falla
mecánica,’ la cual es causada por cargas mecánicas externas. Es importante
notar que la falla por durabilidad podría generar una falla mecánica.
1.4 Métodos más Comunes para el Diseño por Durabilidad
La teoría del diseño por durabilidad está basada en la teoría de seguridad
tradicionalmente usada en diseño estructural (diseño por confiabilidad
estructural). En este contexto el término seguridad de una estructura se
define como la capacidad de una estructura de resistir, con un grado de
certidumbre aceptable, la posibilidad de falla debido a la degradación
gradual de la estructura producida por agentes agresivos del medio
ambiente. Tradicionalmente la metodología del diseño por seguridad
estructural ha sido exclusivamente aplicada a mecánica estructural. Un
nuevo giro que se le ha dado a la teoría por seguridad estructural es la
incorporación del factor tiempo dentro del diseño, permitiendo la posibilidad
de incluir la degradación del concreto como una parte esencial en el diseño
de la estructura. La seguridad en contra de la falla será considerada una
función del tiempo, diseñando la estructura por serviciabilidad incluyendo el
requerimiento de vida útil que deberá de cumplirse.
1.4.1 Teoría de Probabilidad de Falla
El modelo matemático más simple que describe el evento de ‘falla’ involucra
una variable de cargas externas, S, y una variable de resistencia del material,
R [4]. Si las variables S y R son independientes del tiempo. El evento ‘falla’
podría expresarse de la siguiente manera [4]:
{falla} = { S < R } (1.1)
En otras palabras, la falla de la estructura ocurrirá si la resistencia del
concreto o de la estructura es menor que las cargas externas. De ahora en
adelante la probabilidad Pf se definirá como la probabilidad de esta ‘falla’:
Pf = P { S < R } (1.2)
Tanto la carga externa S, como la resistencia R, pueden ser cantidades que
varían con el tiempo. Por lo tanto la probabilidad de falla también varía con el
tiempo. Asumiendo que R(J) y S(J) son los valores instantáneos de la
resistencia y las cargas en el momento J, la probabilidad de falla se podría
definir como [4]:
Pf(J) = P { S(J) < R(J) } para toda J # t (1.3)
La determinación de la función Pf(J) sería muy complejo estimarla
matemáticamente.
Usualmente R y S no se consideran valores instantáneos en el tiempo,
tratándolas más como funciones probabilísticas que dependen del tiempo.
Por esto la probabilidad de falla se expresa como [4]:
Pf(t) = P { S(t) < R(t) } (1.4)
La representación esquemática de la Ecuación (1.4) se aprecia en la Figura
1.5 [4].
Obsérvese cómo R(t) disminuye en el tiempo debido a degradación paulatina
del material. Por otro lado, S(t) puede incrementarse con el tiempo (por
ejemplo, en puentes la afluencia de vehículos puede aumentar con el
tiempo). Cuando t-0, las dos funciones, R(t) y S(t), normalmente se
encuentran muy separadas una de la otra, y por lo tanto la probabilidad de
falla (Pf(t=0)) es muy pequeña. Conforme el tiempo transcurre R(t) y S(t)
tenderán a acercarse cada vez más formándose una área de traslape la cual
iría incrementándose con el tiempo. Dicha área de traslape es Pf(t) [4].
Las funciones que definen a S(t), R(t) y Pf(t) tienen la propiedad de ser
funciones de distribución probabilística. Para estimarlas se necesitaría
conocer con exactitud los parámetros probabilísticos que les pertenecen
(tipo de función (distribución normal, lognormal, exponencial, Weilbull,
gamma, etc.), su valor medio (:), su varianza, F2, etc. La determinación de
dichas funciones está fuera del alcance de este trabajo. Para mayor
información consulte el reporte 130-CSL del RILEM [4].
1.4.2 Métodos Integrales de Diseño (Durabilidad + Cargas)
Existen tres diferentes métodos para el diseño integral por durabilidad: el
método determinístico, el método estocástico y el método de factores de
seguridad. En el método determinístico las S(t), R(t) y la vida útil son
considerados como cantidades únicas, estimadas directamente de fórmulas
analíticas o empíricas previamente calculadas.
En el método estocástico S(t), R(t) y la vida útil son considerados funciones
de distribución probabilísticas. Normalmente muchos son los factores
involucrados para determinar las funciones de distribución probabilísticas
de estas tres funciones, por lo que la aplicación del método estocástico sería
muy compleja. Por esto es más factible el uso del método de factores de
seguridad.
Aunque el método de diseño integral por factor de seguridad se basa en el
principio de seguridad y confiabilidad, el procedimiento sigue la metodología
de un proceso determinístico. Esto se logra cambiando TVU por TD vía un
factor de seguridad 8t como se presenta en la siguiente ecuación:
TD = 8t @ TVU (1.5)
Es con la ayuda del factor de seguridad 8t que el diseño integral
(estocástico) se convierte en un diseño determinístico. Las curvas
corresponden a la situación más común en el diseño del problema de
capacidad de carga de una estructura que presenta un proceso de
degradación paulatina en el tiempo. La función S (cargas externas) por
simplicidad se considera constante en este trabajo.
En el diseño estructural el valor de las cargas de servicio (obtenidas de
manuales de diseño) se multiplica por factores de seguridad (>1), los cuales
consideran la variabilidad en la magnitud de dichas cargas. Por otro lado, los
materiales (concreto y acero) son multiplicados por otros factores de
seguridad (<1) para considerar la posible variabilidad en la calidad de
fabricación de los materiales que conforman a la estructura.
El diseño por durabilidad usando el método de factor de seguridad es muy
similar al diseño estructural. La diferencia entre los dos es que en el diseño
por durabilidad, la capacidad de carga de la estructura disminuye con el
tiempo debido a la existencia de una ‘perdida’ de sección del acero y del
concreto que rodea al acero.
Como puede observarse en la Figura 1.4, si la estructura se diseña por
durabilidad usando TVU = TD existirá la probabilidad que el 50% de las
estructuras fallen al llegar a ese tiempo. Para disminuir la fracción de
estructuras que fallen al llegar al tiempo TVU,
TD debe ser mayor que TVU. Por ello la necesidad de determinar el factor de
seguridad adecuado para que la probabilidad de falla en el tiempo TVU
(Pf(TVU)) sea muy pequeña.
Es claro que para disminuir Pf(TVU) se debe incrementar el factor de
seguridad 8t.
Existen dos principios para la estimación del factor de seguridad 8t [4]:
· El principio de seguridad separada.
· El principio de seguridad combinada.
El primer principio considera al factor de seguridad 8t independiente de los
factores de seguridad para R(t) y S. El segundo considera las interacciones
de los tres factores de seguridad para R(t), S y TVU. Por motivos de tiempo y
extensión este trabajo se usa el principio de seguridad por separado. Para
conocer el principio de seguridad combinada, ver la referencia del reporte
técnico del RILEM [4].
El primer principio de seguridad utiliza especificaciones por separado para
los requerimientos de seguridad por durabilidad y para los de seguridad por
capacidad mecánica. En este trabajo (basado en el reporte técnico C130-CSL
del RILEM [4]) los requerimientos de la confiabilidad para la falla por
durabilidad al final del tiempo TVU, se consideran similares a los de la
confiabilidad para la falla mecánica a corto plazo. Los valores de 8t para
diferentes estados límites (ELS, o ELU), así como Pf(TVU) y el coeficiente de
variación (definido como <D=:(TD)/F(TD)) al tiempo TD, se presentan en la
Tabla 1.1 [4]. Los valores de 8t que se utilizan en el ejemplo de diseño, se
presentan en el Capítulo 4.
1.5 Modelos de Durabilidad Propuesto en la Literatura
Al momento se han propuesto varios modelos ‘durabilísticos’ que relacionan
la degradación por corrosión del acero de refuerzo (o pre-esfuerzo) en
concreto, en función del tiempo. Estos se discuten brevemente a
continuación.
El modelo de Tuutti [9], en el cual se basan la mayoría de los ya existentes,
diferencia dos etapas: T1 y T2. Los modelos de Bañant [10,11], Browne [12],
y Beeby [13] son similares al propuesto por Tuutti [9]; ya que son modelos
que dividen las dos etapas T1 y
T2.
Los modelos de Bañant [10, 11], y Browne [12], especifican que T2 finaliza al
encontrarse daños visibles en la estructura o elemento estructural. En
cambio, el modelo de Beeby [13] especifica que T2 finaliza hasta que se ha
alcanzado un nivel inaceptable de la corrosión. Esto quiere decir que el
elemento puede estar más allá de su periodo de vida útil y encontrarse en la
etapa de su vida residual.
En esta publicación se toma como base el modelo de durabilidad
considerado por
Tuutti [9]:
TVU = T1 + T2 (1.6)
En donde T1 y T2 son denominados periodos de iniciación y de propagación.
Se define al T1 como al lapso de tiempo que tarda el ion cloruro en atravesar
el recubrimiento, alcanzar la armadura y provocar su despasivación. En
tanto T2 se refiere al periodo entre la pérdida de protección de la película
pasiva y la manifestación externa de los daños por corrosión (manchas de
óxido, agrietamientos, o desprendimientos de la cobertura del concreto).
TVU se define como el periodo de vida útil de la estructura. La etapa T2 (a
ser detallado en la segunda parte de este trabajo) finalizará a la formación de
pequeñas grietas (con anchos menores de 0.1 mm) o manchas de óxido.
Estado Límite Clasificaciónpor Seguridad(consecuencia dela falla pordurabilidad)
Probabilidad dela Falla porDurabilidad
Pf(TVU)
Indice deSeguridad delaCapacidadEstructural
$
Límite Ultimo 1. Seria 7.2*10-5 3.8
2. No muy seria 9.7*10-4 3.1
Límite deServicio
3. Evidente 6.2*10-3 2.5
4. No muyevidente
6.7*10-2 1.5
Si en la estructura se observan otros tipos de degradaciones como grietas
más anchas de 0.1 mm, delaminaciones, barras de refuerzo expuestas con
corrosión visible, etc., dicha estructura se encontrará más allá de su vida
útil, o sea, en el periodo de su vida residual. El periodo de la vida residual
finaliza hasta un límite inaceptable de durabilidad, el cual se podría expresar
en función de la capacidad de carga del elemento estructural. Este tema no
se incluye en el modelo de durabilidad propuesto para la determinación de la
vida útil (TVU = T1+T2), y se presenta por separado (Capítulos 2 y 3).
La Figura 1.2 presenta, de una manera gráfica, las etapas T1 y T2, así como
el periodo de la vida residual.
En los Capítulos 2 y 3 se presentan los modelos semi-empíricos para
determinar la duración de T1 y T2 respectivamente, de un elemento
estructural expuesto a un ambiente marino tropical. El Capítulo 4 presenta la
metodología para el diseño integral de un elemento estructural simple
expuesto a un ambiente marino. En el Capitulo 5 se describe de una manera
condensada el periodo de vida remanente (o residual), también llamada vida
remanente de una estructura de concreto en ambiente marino.
2.1 Antecedentes
En esta publicación se discutirá la despasivación del acero por el ataque de
cloruros únicamente. Para mayor información de modelos de durabilidad
que involucran otros agentes externos (dióxido de carbono, sulfatos,
reacciones alkali-silice, y/o heladasdeshielos) confrontar otros reportes [1-4,
14,15].
2.2 Modelo de Transporte de Masa dentro del Concreto
El modelo de durabilidad propuesto en este trabajo es presentado en la
Ecuación
(1.6) del Capítulo 1. Se ha estimado experimentalmente10 y por inspección
de estructuras en servicio,11 que la duración de T2 es únicamente entre 1 y 5
años, dependiendo principalmente de la velocidad de corrosión, iCORR (que
a su vez está ligada íntimamente al contenido en humedad y de oxígeno del
concreto que rodean a la armadura). En cambio el periodo T1 podría
prolongarse, en el mejor de los casos, entre 50 y 100 años, dependiendo de
la calidad del concreto [1-4]. Por esto las tendencias actuales para el diseño
por durabilidad de estructuras de concreto en ambiente marino enfatizan en
prolongar el periodo T1 lo más que se pueda.
Las fuentes más comunes de cloruros son el agua de mar y sales de
deshielo (las sales adicionadas durante el mezclado del concreto no están
incluidas). Un gradiente de concentración es formado en dirección de la
barra de refuerzo como consecuencia de la penetración de los cloruros en el
concreto. Este gradiente de cloruros es comúnmente modelado usando la
función error (erf), la cual cumple con las condiciones de la segunda ley de
Fick de difusión [16]. La difusión de
Diseño de Estructuras de Concreto con Criterios de Durabilidad
18 cloruros en concreto puede ser calculada usando una de las soluciones a
la segunda ley de Fick [16]:
Ccrit = Cs [ 1- erf (C/2 eff.T
En donde CS es la concentración de cloruros en la superficie, C es la
cobertura o recubrimiento de concreto y DEF es el coeficiente efectivo de
difusión de cloruros del concreto. Usando la función parabólica como una
aproximación de la erf (Ecuación (2.1)), se tiene la siguiente ecuación:
2.3 Concentración Crítica a la Profundidad de la Armadura (CCRIT)
En la actualidad existen varios estándares para definir el valor de CCRIT, el
cual depende del tipo de cemento a usar, del contenido de cemento de la
mezcla, si el concreto tiene o no aditivos, humedad del ambiente al que
estará expuesta, si el elemento estructural es o no pretensado, etc [17-26].
Acero
Puente fabricado en acero
El acero es la aleación de hierro y carbono, donde el carbono no supera el 2,1% en peso1 de la composición de la aleación, alcanzando normalmente porcentajes entre el 0,2% y el 0,3%. Porcentajes mayores que el 2% de carbono dan lugar a las fundiciones, aleaciones que al ser quebradizas y no poderse forjar —a diferencia de los aceros—, se moldean.
La definición anterior, sin embargo, se circunscribe a los aceros al carbono en los que éste último es el único aleante o los demás presentes lo están en cantidades muy pequeñas pues de hecho existen multitud de tipos de acero con composiciones muy diversas que reciben denominaciones específicas en virtud ya sea de los elementos que predominan en su composición (aceros al silicio), de su susceptibilidad a ciertos tratamientos (aceros de cementación), de alguna característica potenciada (aceros inoxidables) e incluso en función de su uso (aceros estructurales). Usualmente estas aleaciones de hierro se engloban bajo la denominación genérica de aceros especiales, razón por la que aquí se ha adoptado la definición de los comunes o "al carbono" que amén de ser los primeros fabricados y los
más empleados,2 sirvieron de base para los demás. Esta gran variedad de aceros llevó a Siemens a definir el acero como «un compuesto de hierro y otra sustancia que incrementa su resistencia».3
Por la variedad ya apuntada y por su disponibilidad —sus dos elementos primordiales abundan en la naturaleza facilitando su producción en cantidades industriales4 — los aceros son las aleaciones más utilizadas en la construcción de maquinaria, herramientas, edificios y obras públicas, habiendo contribuido al alto nivel de desarrollo tecnológico de las sociedades industrializadas.5 Sin embargo, en ciertos sectores, como la construcción aeronáutica, el acero apenas se utiliza debido a que es un material muy denso, casi tres veces más denso que el aluminio (7,85/2,7).
Contenido[ocultar]
1 Historia 2 Características mecánicas y tecnológicas del acero 3 Formación del acero. Diagrama hierro-carbono (Fe-C)
o 3.1 Microconstituyentes o 3.2 Transformación de la austenita o 3.3 Otros microconstituyentes
4 Otros elementos en el acero o 4.1 Elementos aleantes del acero y mejoras obtenidas con la aleación o 4.2 Impurezas en el acero o 4.3 Desgaste o 4.4 Normalización de las diferentes clases de acero
4.4.1 Norma UNE-36010 5 Tratamientos del acero
o 5.1 Tratamientos superficiales o 5.2 Tratamientos térmicos
6 Mecanizado del acero o 6.1 Acero laminado o 6.2 Acero forjado o 6.3 Acero corrugado o 6.4 Estampado del acero o 6.5 Troquelación del acero o 6.6 Mecanizado blando o 6.7 Rectificado o 6.8 Mecanizado duro o 6.9 Mecanizado por descarga eléctrica o 6.10 Taladrado profundo o 6.11 Doblado o 6.12 Perfiles de acero
7 Aplicaciones del acero
8 Ensayos mecánicos del acero o 8.1 Ensayos no destructivos o 8.2 Ensayos destructivos
9 Producción y consumo de acero o 9.1 Evolución del consumo mundial de acero (2005) o 9.2 Producción mundial de acero (2005) o 9.3 Principales fabricantes mundiales de acero
10 Reciclaje del acero 11 Véase también 12 Bibliografía fundamental 13 Referencias
14 Enlaces externos
Historia [editar]
Artículo principal: Historia de la siderurgia
Histórico horno Bessemer
Aunque no se tienen datos precisos de la fecha en la que se descubrió la técnica de fundir mineral de hierro para producir un metal susceptible de ser utilizado, los primeros utensilios de este metal descubiertos por los arqueólogos en Egipto datan del año 3000 a. C. También se sabe que antes de esa época se empleaban adornos de hierro.
El acero era conocido en la antigüedad, y quizá pudo haber sido producido por el método de boomery —fundición de hierro y sus óxidos en una chimenea de piedra u otros
materiales naturales resistentes al calor, y en el cual se sopla aire— para que su producto, una masa porosa de hierro (bloom) contuviese carbón.6
Algunos de los primeros aceros provienen del Este de África, fechados cerca de 1400 a. C. 7
En el siglo IV adC. armas como la falcata fueron producidas en la península Ibérica.
La China antigua bajo la dinastía Han, entre el 202 a. C. y el 220 d. C., creó acero al derretir hierro forjado junto con hierro fundido, obteniendo así el mejor producto de carbón intermedio, el acero, en torno al siglo I a. C.8 9
Junto con sus métodos originales de forjar acero, los chinos también adoptaron los métodos de producción para la creación de acero wootz, una idea importada de India a China hacia el siglo V10
El acero wootz fue producido en India y en Sri Lanka desde aproximadamente el año 300 a. C. Este temprano método utilizaba un horno de viento, soplado por los monzones.11
También conocido como acero Damasco, el acero wootz es famoso por su durabilidad y capacidad de mantener un filo. Originalmente fue creado de un número diferente de materiales, incluyendo trazas de otros elementos en concentraciones menores a 1000 partes por millón o 0,1% de la composición de la roca. Era esencialmente una complicada aleación con hierro como su principal componente. Estudios recientes han sugerido que en su estructura se incluían nanotubos de carbono, lo que quizá explique algunas de sus cualidades legendarias; aunque teniendo en cuenta la tecnología disponible en ese momento fueron probablemente producidos más por casualidad que por diseño.12
El acero crucible (Crucible steel) —basado en distintas técnicas de producir aleaciones de acero empleando calor lento y enfriando hierro puro y carbón— fue producido en Merv entre el siglo IX y el siglo X.
En China, bajo la dinastía Song del siglo XI, hay evidencia de la producción de acero empleando dos técnicas: una de un método "berganesco" que producía un acero de calidad inferior por no ser homogéneo, y un precursor del moderno método Bessemer el cual utilizaba una descarbonización a través de repetidos forjados bajo abruptos enfriamientos (cold blast).13
Grabado que muestra el trabajo en una fragua en la Edad Media.
El hierro para uso industrial fue descubierto hacia el año 1500 a. C., en Medzamor, cerca de Ereván, capital de Armenia y del monte Ararat.14 La tecnología del hierro se mantuvo mucho tiempo en secreto, difundiéndose extensamente hacia el año 1200 a. C.
Los artesanos del hierro aprendieron a fabricar acero calentando hierro forjado y carbón vegetal en recipientes de arcilla durante varios días, con lo que el hierro absorbía suficiente carbono para convertirse en acero auténtico.
Las características conferidas por la templabilidad no consta que fueran conocidas hasta la Edad Media, y hasta el año 1740 no se produjo lo que hoy día denominamos acero.
Los métodos antiguos para la fabricación del acero consistían en obtener hierro dulce en el horno, con carbón vegetal y tiro de aire. Una posterior expulsión de las escorias por martilleo y carburación del hierro dulce para cementarlo. Luego se perfeccionó la cementación fundiendo el acero cementado en crisoles de arcilla y en Sheffield (Inglaterra) se obtuvieron, a partir de 1740, aceros de crisol.5
Fue Benjamin Huntsman el que desarrolló un procedimiento para fundir hierro forjado con carbono, obteniendo de esta forma el primer acero conocido.
En 1856, Sir Henry Bessemer, hizo posible la fabricación de acero en grandes cantidades, pero su procedimiento ha caído en desuso, porque solo podía utilizar hierro que contuviese fósforo y azufre en pequeñas proporciones.
En 1857, Sir William Siemens ideó otro procedimiento de fabricación industrial del acero, que es el que ha perdurado hasta la actualidad, el procedimiento Martin Siemens, por descarburación de la fundición de hierro dulce y óxido de hierro. Siemens había experimentado en 1878 con la electricidad para calentar los hornos de acero, pero fue el metalúrgico francés Paul Héroult —coinventor del método moderno para fundir aluminio— quien inició en 1902 la producción comercial del acero en hornos eléctricos.
El método de Héroult consiste en introducir en el horno chatarra de acero de composición conocida haciendo saltar un arco eléctrico entre la chatarra y unos grandes electrodos de carbono situados en el techo del horno.
En 1948 se inventa el proceso del oxígeno básico L-D. Tras la segunda guerra mundial se iniciaron experimentos en varios países con oxígeno puro en lugar de aire para los procesos de refinado del acero. El éxito se logró en Austria en 1948, cuando una fábrica de acero situada cerca de la ciudad de Linz, Donawitz desarrolló el proceso del oxígeno básico o L-D.
En 1950 se inventa el proceso de colada continua que se usa cuando se requiere producir perfiles laminados de acero de sección constante y en grandes cantidades. El proceso consiste en colocar un molde con la forma que se requiere debajo de un crisol, el que con una válvula puede ir dosificando material fundido al molde. Por gravedad el material fundido pasa por el molde, el que está enfriado por un sistema de agua, al pasar el material fundido por el molde frío se convierte en pastoso y adquiere la forma del molde. Posteriormente el material es conformado con una serie de rodillos que al mismo tiempo lo arrastran hacia la parte exterior del sistema. Una vez conformado el material con la forma necesaria y con la longitud adecuada el material se corta y almacena.
En 2007 se utilizan algunos metales y metaloides en forma de ferroaleaciones, que, unidos al acero, le proporcionan excelentes cualidades de dureza y resistencia.15
El uso intensivo que tiene y ha tenido el acero para la construcción de estructuras metálicas ha conocido grandes éxitos y rotundos fracasos que al menos han permitido el avance de la ciencia de materiales. Así, el 7 de noviembre de 1940 el mundo asistió al colapso del puente Tacoma Narrows al entrar en resonancia con el viento. Ya durante los primeros años de la Revolución Industrial se produjeron roturas prematuras de ejes de ferrocarril que llevaron a William Rankine a postular la fatiga de materiales y durante la Segunda Guerra Mundial se produjeron algunos hundimientos imprevistos de los cargueros estadounidenses Liberty al fragilizarse el acero por el mero descenso de la temperatura,16 problema inicialmente achacado a las soldaduras.
En muchas regiones del mundo, el acero es de gran importancia para la dinámica de la población, industria y comercio.
Características mecánicas y tecnológicas del acero [editar]
Representación de la inestabilidad lateral bajo la acción de una fuerza ejercida sobre una viga de acero.
Aunque es difícil establecer las propiedades físicas y mecánicas del acero debido a que estas varían con los ajustes en su composición y los diversos tratamientos térmicos, químicos o mecánicos, con los que pueden conseguirse aceros con combinaciones de características adecuadas para infinidad de aplicaciones, se pueden citar algunas propiedades genéricas:
Su densidad media es de 7850 kg/m3.
En función de la temperatura el acero se puede contraer, dilatar o fundir.
El punto de fusión del acero depende del tipo de aleación y los porcentajes de elementos aleantes. El de su componente principal, el hierro es de alrededor de 1510 ºC en estado puro (sin alear), sin embargo el acero presenta frecuentemente temperaturas de fusión de alrededor de 1375 ºC (2500 ºF), y en general la tempera necesaria para la fusión aumenta a medida que se funde (excepto las aleaciones eutécticas que funden de golpe). Por otra parte el acero rápido funde a 1650ºC.17
Su punto de ebullición es de alrededor de 3000 ºC(5400ºF).18
Es un material muy tenaz, especialmente en alguna de las aleaciones usadas para fabricar herramientas.
Relativamente dúctil. Con él se obtienen hilos delgados llamados alambres. Es maleable. Se pueden obtener láminas delgadas llamadas hojalata. La
hojalata es una lamina de acero, de entre 0,5 y 0,12 mm de espesor, recubierta, generalmente de forma electrolítica, por estaño.
Permite una buena mecanización en máquinas herramientas antes de recibir un tratamiento térmico.
Algunas composiciones y formas del acero mantienen mayor memoria, y se deforman al sobrepasar su límite elástico.
La dureza de los aceros varía entre la del hierro y la que se puede lograr mediante su aleación u otros procedimientos térmicos o químicos entre los
cuales quizá el más conocido sea el templado del acero, aplicable a aceros con alto contenido en carbono, que permite, cuando es superficial, conservar un núcleo tenaz en la pieza que evite fracturas frágiles. Aceros típicos con un alto grado de dureza superficial son los que se emplean en las herramientas de mecanizado, denominados aceros rápidos que contienen cantidades significativas de cromo, wolframio, molibdeno y vanadio. Los ensayos tecnológicos para medir la dureza son Brinell, Vickers y Rockwell, entre otros.
Se puede soldar con facilidad.
La corrosión es la mayor desventaja de los aceros ya que el hierro se oxida con suma facilidad incrementando su volumen y provocando grietas superficiales que posibilitan el progreso de la oxidación hasta que se consume la pieza por completo. Tradicionalmente los aceros se han venido protegiendo mediante tratamientos superficiales diversos. Si bien existen aleaciones con resistencia a la corrosión mejorada como los aceros de construcción «corten» aptos para intemperie (en ciertos ambientes) o los aceros inoxidables.
Posee una alta conductividad eléctrica. Aunque depende de su composición es aproximadamente de19 3*106 S m-1. En las líneas aéreas de alta tensión se utilizan con frecuencia conductores de aluminio con alma de acero proporcionando éste último la resistencia mecánica necesaria para incrementar los vanos entre la torres y optimizar el coste de la instalación.
Se utiliza para la fabricación de imanes permanentes artificiales, ya que una pieza de acero imantada no pierde su imantación si no se la calienta hasta cierta temperatura. La magnetización artificial se hace por contacto, inducción o mediante procedimientos eléctricos. En lo que respecta al acero inoxidable, al acero inoxidable ferrítico sí se le pega el imán, pero al acero inoxidable austenítico no se le pega el imán debido a que en su composición hay un alto porcentaje de cromo y níquel.
Un aumento de la temperatura en un elemento de acero provoca un aumento en la longitud del mismo. Este aumento en la longitud puede valorarse por la expresión: δL = α δ t° L, siendo a el coeficiente de dilatación, que para el acero vale aproximadamente 1,2 • 10-5 (es decir α = 0,000012). Si existe libertad de dilatación no se plantean grandes problemas subsidiarios, pero si esta dilatación está 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 según un coeficiente de dilatación similar al coeficiente de dilatación del hormigón, por lo que resulta muy útil su uso simultáneo en la construcción, formando un material compuesto que se denomina hormigón armado.20 El acero da una falsa sensación de seguridad al ser incombustible, pero sus propiedades mecánicas fundamentales se ven gravemente afectadas por las altas temperaturas que pueden alcanzar los perfiles en el transcurso de un incendio.
Formación del acero. Diagrama hierro-carbono (Fe-C) [editar]
En el diagrama de equilibro, o de fases, Fe-C se representan las transformaciones que sufren los aceros al carbono con la temperatura, admitiendo que el calentamiento (o enfriamiento) de la mezcla se realiza muy lentamente de modo que los procesos de difusión (homogeneización) tienen tiempo para completarse. Dicho diagrama se obtiene experimentalmente identificando los puntos críticos —temperaturas a las que se producen las sucesivas transformaciones— por métodos diversos.
Microconstituyentes [editar]
El hierro puro presenta tres estados alotrópicos a medida que se incrementa la temperatura desde la ambiente:
Hasta los 911 °C, el hierro ordinario, cristaliza en el sistema cúbico centrado en el cuerpo (BCC) y recibe la denominación de hierro α o ferrita. Es un material dúctil y maleable responsable de la buena forjabilidad de las aleaciones con bajo contenido en carbono y es ferromagnético hasta los 770 °C (temperatura de Curie a la que pierde dicha cualidad). La ferrita puede disolver muy pequeñas cantidades de carbono.
Entre 911 y 1400 °C cristaliza en el sistema cúbico centrado en las caras (FCC) y recibe la denominación de hierro γ o austenita. Dada su mayor compacidad la austenita se deforma con mayor facilidad y es paramagnética.
Entre 1400 y 1538 °C cristaliza de nuevo en el sistema cúbico centrado en el cuerpo y recibe la denominación de hierro δ que es en esencia el mismo hierro alfa pero con parámetro de red mayor por efecto de la temperatura.
A mayor temperatura el hierro se encuentra en estado líquido.
Si se añade carbono al hierro, sus átomos podrían situarse simplemente en los instersticios de la red cristalina de éste último; sin embargo en los aceros aparece combinado formando carburo de hierro (Fe3C), es decir, un compuesto químico definido y que recibe la denominación de cementita de modo que los aceros al carbono están constituidas realmente por ferrita y cementita.
Fases de la aleación de hierro-carbonoAustenita (hierro-ɣ. duro)Ferrita (hierro-α. blando)Cementita (carburo de hierro. Fe3C)Perlita (88% ferrita, 12% cementita)Ledeburita (ferrita - cementita eutectica, 4.3% carbón)BainitaMartensita
Tipos de acero
Acero al carbono (0,03-2.1% C)Acero corten (para intemperie)Acero inoxidable (aleado con cromo)Acero microaleado («HSLA», baja aleación alta resistencia)Acero rápido (muy duro, tratamiento térmico)
Otras aleaciones Fe-C
Hierro dulce (prácticamente sin carbón)Fundición (>2.1% C)Fundición dúctil (grafito esferoidal)
Transformación de la austenita [editar]
Zona de los aceros (hasta 2% de carbono) del diagrama de equilibrio metaestable hierro-carbono. Dado que en los aceros el carbono se encuentra formando carburo de hierro se han incluido en abcisas las escalas de los porcentajes en peso de carbono y de carburo de hierro (en azul).
El diagrama de fases Fe-C muestra dos composiciones singulares:
Un eutéctico (composición para la cual el punto de fusión es mínimo) que se denomina ledeburita y contiene un 4,3% de carbono (64,5 % de cementita). La ledeburita aparece entre los constituyentes de la aleación cuando el contenido en carbono supera el 2% (región del diagrama no mostrada) y es la responsable de la mala forjabilidad de la aleación marcando la frontera entre los aceros con menos del 2% de C (forjables) y las fundiciones con porcentajes de carbono superiores (no forjables y fabricadas por moldeo). De este modo se observa que por encima de la temperatura crítica A3
21 los aceros están constituidos sólo por austenita, una solución sólida de carbono en hierro γ y su microestructura en condiciones de enfriamiento lento dependerá por tanto de las transformaciones que sufra ésta.
Un eutectoide en la zona de los aceros, equivalente al eutéctico pero en estado sólido, donde la temperatura de transformación de la austenita es mínima. El eutectoide contiene un 0,77 %C (13,5% de cementita) y se denomina perlita. Está constituido por capas alternas de ferrita y cementita, siendo sus propiedades mecánicas intermedias entre las de la ferrita y la cementita.
La existencia del eutectoide permite distinguir dos tipos de aleaciones de acero:
Aceros hipoeutectoides (< 0,77% C). Al enfriarse por debajo de la temperatura crítica A3 comienza a precipitar la ferrita entre los granos (cristales) de austenita y al alcanzar la temperatura crítica A1 la austenita restante se transforma en perlita. Se obtiene por tanto a temperatura ambiente una estructura de cristales de perlita embebidos en una matriz de ferrita.
Aceros hipereutectoides (>0,77% C). Al enfriarse por debajo de la temperatura crítica se precipita el carburo de hierro resultando a temperatura ambiente cristales de perlita embebidos en una matriz de cementita.
Otros microconstituyentes [editar]
Las texturas básicas descritas (perlíticas) son las obtenidas enfriando lentamente aceros al carbono, sin embargo modificando las condiciones de enfriamiento (base de los tratamientos térmicos) es posible obtener estructuras cristalinas diferentes:
La martensita es el constituyente típico de los aceros templados y se obtiene de forma casi instantánea al enfriar rápidamente la austenita. Es una solución sobresaturada de carbono en hierro alfa con tendencia, cuanto mayor es el carbono, a la sustitución de la estructura cúbica centrada en el cuerpo por tetragonal centrada en el cuerpo. Tras la cementita (y los carburos de otros metales) es el constituyente más duro de los aceros.
Velocidades intermedias de enfriamiento dan lugar a la bainita, estructura similar a la perlita formada por agujas de ferrita y cementita pero de mayor ductilidad y resistencia que aquélla.
También se puede obtener austenita por enfriamiento rápido de aleaciones con elementos gammágenos (que favorecen la estabilidad del hierro γ) como el níquel y el manganeso, tal es el caso por ejemplo de los aceros inoxidables austeníticos.
Antaño se identificaron también la sorbita y la troostita que han resultado ser en realidad perlitas de muy pequeña distancia interlaminar por lo que dichas denominaciones han caído en desuso.
Otros elementos en el acero [editar]
Elementos aleantes del acero y mejoras obtenidas con la aleación [editar]
Aunque la composición química de cada fabricante de aceros es casi secreta, certificando a sus clientes solo la resistencia y dureza de los aceros que producen, sí se conocen los compuestos agregados y sus porcentajes admisibles.22 23
Aluminio: se emplea como elemento de aleación en los aceros de nitruracion, que suele tener 1% aproximadamente de aluminio. Como desoxidante se suele emplear frecuentemente en la fabricación de muchos aceros. Todos los aceros aleados en calidad contienen aluminio en porcentajes pequeñísimos, variables generalmente desde 0,001 a 0,008%.
Boro: en muy pequeñas cantidades (del 0,001 al 0,0015%) logra aumentar la capacidad de endurecimiento cuando el acero está totalmente desoxidado, pues se combina con el carbono para formar carburos proporcionando un revestimiento duro y mejorando la templabilidad. Es usado en aceros de baja aleación en aplicaciones como cuchillas de arado y alambres de alta ductilidad y dureza superficial.
Acería. Nótese la tonalidad del vertido. Cobalto: muy endurecedor. Disminuye la templabilidad. Mejora la dureza en
caliente. El cobalto es un elemento poco habitual en los aceros.Se usa en los aceros rápidos para herramientas, aumenta la dureza de la herramienta en caliente. Se utiliza para aceros refractarios. Aumenta las propiedades magnéticas de los aceros.
Cromo: es uno de los elementos especiales más empleados para la fabricación de aceros aleados, usándose indistintamente en los aceros de construcción, en los de herramientas, en los inoxidables y los de resistencia en caliente. Se emplea en cantidades diversas desde 0,30% a 30%, según los casos y sirve para aumentar la dureza y la resistencia a la tracción de los aceros, mejora la templabilidad, impide las deformaciones en el temple, aumenta la resistencia al desgaste, la inoxidabilidad (con concentraciones superiores al 12%), etc. Forma carburos muy duros y comunica al acero mayor dureza, resistencia y tenacidad a cualquier temperatura. Solo o aleado con otros elementos, proporciona a los aceros características de inoxidables y refractarios; también se utiliza en revestimientos embellecedores o recubrimientos duros de gran resistencia al desgaste, como émbolos, ejes, etc.
Estaño: es el elemento que se utiliza para recubrir láminas muy delgadas de acero que conforman la hojalata.
Manganeso: aparece prácticamente en todos los aceros, debido, principalmente, a que se añade como elemento de adición para neutralizar la perniciosa influencia del azufre y del oxigeno, que siempre suelen contener los aceros cuando se encuentran en estado líquido en los hornos durante los procesos de fabricación. El manganeso actúa también como desoxidante y evita, en parte, que en la solidificación del acero que se desprendan gases
que den lugar a porosidades perjudiciales en el material.Si los aceros no tuvieran manganeso, no se podrían laminar ni forjar, porque el azufre que suele encontrarse en mayor o menor cantidad en los aceros, formarían sulfuros de hierro, que son cuerpos de muy bajo punto de fusión (981º aprox.) que a las temperaturas de trabajo en caliente (forja o laminación) funden, y al encontrarse contorneando los granos de acero crean zonas de debilidad y las piezas y barras se abren en esas operaciones de transformación. Los aceros ordinarios y los aceros aleados en los que el manganeso no es elemento fundamental, suelen contener generalmente porcentajes de manganeso variables de 0,30 a 0,80%.
Molibdeno: es un elemento habitual del acero y aumenta mucho la profundidad de endurecimiento de acero, así como su tenacidad. Los aceros inoxidables austeníticos contienen molibdeno para mejorar la resistencia a la corrosión.
Nitrógeno: se agrega a algunos aceros para promover la formación de austenita.
Níquel: una de las mayores ventajas que reporta el empleo del níquel, es evitar el crecimiento del grano en los tratamientos térmicos, lo que sirve para producir en ellos gran tenacidad. El níquel además hace descender los puntos críticos y por ello los tratamientos pueden hacerse a temperaturas ligeramente más bajas que la que corresponde a los aceros ordinarios. Experimentalmente se observa que con los aceros aleados con níquel se obtiene para una misma dureza, un limite de elasticidad ligeramente más elevado y mayores alargamientos y resistencias que con los aceros al carbono o de baja aleación. En la actualidad se ha restringido mucho su empleo, pero sigue siendo un elemento de aleación indiscutible para los aceros de construcción empleados en la fabricación de piezas para máquinas y motores de gran responsabilidad, se destacan sobre todo en los aceros cromo-níquel y cromo-níquel-molibdeno.El níquel es un elemento de extraordinaria importancia en la fabricación de aceros inoxidables y resistentes a altas temperaturas, en los que además de cromo se emplean porcentajes de níquel variables de 8 a 20%. Es el principal formador de austenita, que aumenta la tenacidad y resistencia al impacto. El níquel se utiliza mucho para producir acero inoxidable, porque aumenta la resistencia a la corrosión.
Plomo: el plomo no se combina con el acero, se encuentra en él en forma de pequeñísimos glóbulos, como si estuviese emulsionado, lo que favorece la fácil mecanización 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 añade 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.
Tungsteno: también conocido como wolframio. Forma con el hierro carburos muy complejos estables y durísimos, soportando bien altas temperaturas. En porcentajes del 14 al 18 %, proporciona aceros rápidos con los que es posible triplicar la velocidad de corte de loa aceros al carbono para herramientas.
Vanadio: posee una enérgica acción desoxidante y forma carburos complejos con el hierro, que proporcionan al acero una buena resistencia a la fatiga, tracción y poder cortante en los aceros para herramientas.
Zinc: es elemento clave para producir chapa de acero galvanizado.
Los porcentajes de cada uno de los aleantes que pueden configurar un tipo determinado de acero están normalizados.
Impurezas en el acero [editar]
Se denomina impurezas a todos los elementos indeseables en la composición de los aceros. Se encuentran en los aceros y también en las fundiciones como consecuencia de que están presentes en los minerales o los combustibles. Se procura eliminarlas o reducir su contenido debido a que son perjudiciales para las propiedades de la aleación. En los casos en los que eliminarlas resulte imposible o sea demasiado costoso, se admite su presencia en cantidades mínimas.
Azufre: límite máximo aproximado: 0,04%. El azufre con el hierro forma sulfuro, el que, conjuntamente con la austenita, da lugar a un eutéctico cuyo punto de fusión es bajo y que, por lo tanto, aparece en bordes de grano. Cuando los lingotes de acero colado deben ser laminados en caliente, dicho eutéctico se encuentra en estado líquido, lo que provoca el desgranamiento del material.
Se controla la presencia de sulfuro mediante el agregado de manganeso. El manganeso tiene mayor afinidad por el azufre que el hierro por lo que en lugar de FeS se forma MnS que tiene alto punto de fusión y buenas propiedades plásticas. El contenido de Mn debe ser aproximadamente 5 veces la concentración de S para que se produzca la reacción. El resultado final, una vez eliminados los gases causantes, es una fundición menos porosa, y porlo tanto de mayor calidad. Aunque se considera un elemento perjudicial, su presencia es positiva para mejorar la maquinabilidad en los procesos de mecanizado. Cuando el porcentaje de azufre es alto puede causar poros en la soldadura.
Fósforo: límite máximo aproximado: 0,04%. El fósforo resulta perjudicial, ya sea al disolverse en la ferrita, pues disminuye la ductilidad, como también por formar FeP (fosfuro de hierro). El fosfuro de hierro, junto con la austenita y la cementita, forma un eutéctico ternario denominado esteadita, el que es sumamente frágil y posee punto de fusión relativamente bajo, por lo cual aparece en bordes de grano, transmitiéndole al material su fragilidad.
Aunque se considera un elemento perjudicial en los aceros, porque reduce la ductilidad y la tenacidad, haciéndolo quebradizo, a veces se agrega para aumentar la resistencia a la tensión y mejorar la maquinabilidad.
Desgaste [editar]
Es la degradación física (pérdida o ganancia de material, aparición de grietas, deformación plástica, cambios estrucuturales como transformación de fase o recristalización, fenómenos de corrosión, etc.) debido al movimiento entre la superficie de un material sólido y uno o varios elementos de contacto.24 El desgaste sobre una superficie se puede cuantificar midiendo la pérdida de material según su desplazamiento relativo. Existen diferentes tipos de desgaste en dependencia de la situación encontrada. Varios modelos de desgaste incluyen adhesión, abrasión, fatiga y corrosión. El desgaste aumenta cuando existe presión y movimiento entre superficies. Esto es de gran importancia debido a que es un factor determinante en la vida y desempeño de las máquinas que están expuestas a este tipo de deterioro, pudiendo variar los costos de manera verdaderamente significativa. La región más sensible a las agresiones del entorno es la superficie de un material. En comparación con otras causas de deterioro de un material, los problemas que afectan a la superficie debido al desgaste requieren un consumo energético mínimo debido a que son sólo los átomos de unas pocas capas superficiales y los enlaces que los unen entre sí, los que deben hacer frente a las fuerzas del entorno. El desgaste metálico es un fenómeno al cual están expuestos los metales, y que involucran el desplazamiento y el arranque de partículas en la superficie del metal, el tema de desgaste es algo complicado de estudiar debido a su complejidad y el número de factores necesarios para describirlo (Lansdown and Price, 1986). Además del efecto que tiene la lubricación en el proceso de desgaste, existen también otros factores muy importantes. Entre los distintos factores se tienen los metalúrgicos, los cuales involucran la dureza, tenacidad, constitución, estructura y composición química. También se tienen los factores operacionales, tales como los materiales en contacto, el modo y tipo de carga, la velocidad, la temperatura, la rugosidad superficial y la distancia recorrida. Por otro lado,se encuentran los factores externos como lo es la corrosión (Lansdown and Price, 1986). Según Lansdown and Price (1986): En general el incremento de la dureza disminuye el desgaste en un metal, pero la relación entre estos dos fenómenos es compleja. En el desgaste abrasivo hay evidencias de que el valor del desgaste en metales comercialmente puros y aceros tratados térmicamente es inversamente proporcional a su dureza. Hay una tendencia general de que cuando se incrementa la carga, se incrementa también el valor del desgaste; se habla también de un punto crítico en la mayoría de los sistemas, en los que más allá de haber un aumento en el valor del desgaste más bien ocurre primero un incremento de la carga. El valor del desgaste puede cambiar considerablemente con el cambio de la velocidad, pero no existe una relación general entre el desgaste y la velocidad. Un incremento en la velocidad puede conducir a un incremento o decremento del desgaste dependiendo del efecto de la temperatura en la superficie del material.
Normalización de las diferentes clases de acero [editar]
Llave de acero aleado para herramientas
Como existe una variedad muy grande de clases de acero diferentes que se pueden producir en función de los elementos aleantes que constituyan la aleación, se ha impuesto, en cada país, en cada fabricante de acero, y en muchos casos en los mayores consumidores de aceros, unas Normas que regulan la composición de los aceros y las prestaciones de los mismos.
Por ejemplo en España actualmente están regulados por la norma UNE-EN 10020:2001 y antiguamente estaban reguladas por la norma UNE-36010.25
Existen otras normas reguladoras del acero, como la clasificación de AISI (de hace 70 años, y de uso mucho más extenso internacionalmente), ASTM,26 DIN, o la ISO 3506.
A modo de ejemplo se expone la clasificación regulada por la norma UNE-36010, que ya ha sido sustituida por la norma UNE-EN10020:2001, y están editadas por AENOR:
Norma UNE-36010 [editar]
Artículo principal: UNE-36010
La norma española UNE-36010 es una normalización o clasificación de los aceros para que sea posible conocer las propiedades de los mismos. Esta Norma indica la cantidad mínima o máxima de cada componente y las propiedades mecánicas que tiene el acero resultante.
En España, el Instituto del Hierro y del Acero (IHA) creó esta norma que clasifica a los aceros en cinco series diferentes a las que identifica por un número. Cada serie de aceros se divide a su vez en grupos, que especifica las características técnicas de cada acero, matizando sus aplicaciones específicas. El grupo de un acero se designa con un número que acompaña a la serie a la que pertenece. La clasificación de grupos por serie, sus propiedades y sus aplicaciones se recogen en la Tabla siguiente.
Clasificación de los Aceros según la Norma UNE-36010
Serie Grupo Denominación Descripción
Serie 1 Grupo 1 Acero al carbono. Son aceros al carbono y por tanto no aleados. Cuanto más carbono tienen sus respectivos
Grupos 2 y 3 Acero aleado de gran resistencia.
Grupo 4 Acero aleado de gran elasticidad.
grupos son más duros y menos soldables, pero también son más resistentes a los choques. Son aceros aptos para tratamientos térmicos que aumentan su resistencia, tenacidad y dureza. Son los aceros que cubren las necesidades generales de la Ingeniería de construcción tanto industrial como civil y comunicaciones.
Grupo 5 y 6 Aceros para cementación.
Grupo 7 Aceros para nitruración.
Serie 2 Grupo 1 Aceros de fácil mecanización. Son aceros a los que se incorporan elementos aleantes que mejoran las propiedades necesarias que se exigen las piezas que se van a fabricar con ellos como, por ejemplo, tornillería, tubos y perfiles en los grupos 1 y 2. Núcleos de transformadores y motores en los aceros del grupo 3, piezas de unión de materiales férricos con no férricos sometidos a temperatura en el grupo 4, piezas instaladas en instalaciones químicas y refinerías sometidas a altas temperaturas los del grupo 5.
Grupo 2 Aceros para soldadura.
Grupo 3 Aceros magnéticos.
Grupo 4 Aceros de dilatación térmica.
Grupo 5 Aceros resistentes a la fluencia.
Serie 3 Grupo 1 Aceros inoxidables. Estos aceros están basados en la adición de cantidades considerables de cromo y níquel a los que se suman otros elementos para otras propiedades más específicas. Son resistentes a ambientes
Grupos 2 y 3 Aceros resistentes al calor.
húmedos, a agentes químicos y a altas temperaturas. Sus aplicaciones más importantes son para la fabricación de depósitos de agua, cámaras frigoríficas industriales, material clínico e instrumentos quirúrgicos, pequeños electrodomésticos, material doméstico como cuberterías, cuchillería, etc..
Serie 5 Grupo 1 Acero al carbono para herramientas.
Son aceros aleados con tratamientos térmicos que les dan características muy particulares de dureza, tenacidad y resistencia al desgaste y a la deformación por calor. Los aceros del grupo 1 de esta serie se utilizan para construir maquinaria de trabajos ligeros en general, desde la carpintería y la agrícola (aperos). Los grupos 2,3 y 4 se utilizan para construir máquinas y herramientas más pesadas. El grupo 5 se utiliza para construir herramientas de corte.
Grupos 2, 3 y 4 Acero aleado para herramientas.
Grupo 5 Aceros rápidos.
Serie 8 Grupo 1 Aceros para moldeo. Son aceros adecuados para moldear piezas por vertido en moldes de arena, por lo que requieren cierto contenido mínimo de carbono que les dé estabilidad. Se utilizan para el moldeo de piezas geométricas
Grupo 3 Aceros de baja radiación.
Grupo 4 Aceros para moldeo inoxidables.
complicadas, con características muy variadas, que posteriormente son acabadas en procesos de mecanizado.
Tratamientos del acero [editar]
Tratamientos superficiales [editar]
Artículo principal: Tratamiento superficial de los metales
Debido a la facilidad que tiene el acero para oxidarse cuando entra en contacto con la atmósfera o con el agua, es necesario y conveniente proteger la superficie de los componentes de acero para protegerles de la oxidación y corrosión. Muchos tratamientos superficiales están muy relacionados con aspectos embellecedores y decorativos de los metales.
Los tratamientos superficiales más usados son los siguientes:
Cincado: tratamiento superficial antioxidante por proceso electrolítico al que se somete a diferentes componentes metálicos.
Cromado: recubrimiento superficial para proteger de la oxidación y embellecer.
Galvanizado: tratamiento superficial que se da a la chapa de acero. Niquelado: baño de níquel con el que se protege un metal de la oxidación. Pavonado: tratamiento superficial que se da a piezas pequeñas de acero,
como la tornillería. Pintura: usado especialmente en estructuras, automóviles, barcos, etc.
Tratamientos térmicos [editar]
Artículo principal: Tratamiento térmico
Rodamiento de acero templado
Un proceso de tratamiento térmico adecuado permite aumentar significativamente las propiedades mecánicas de dureza, tenacidad y resistencia mecánica del acero. Los tratamientos térmicos cambian la microestructura del material, con lo que las propiedades macroscópicas del acero también son alteradas.
Los tratamientos térmicos que pueden aplicarse al acero son:
Temple. Cementación. Nitruración. Revenido. Recocido. Cianuración. Normalizado.
Entre los factores que afectan a los procesos de tratamiento térmico del acero se encuentran la temperatura y el tiempo durante el que se expone a dichas condiciones al material. Otro factor determinante es la forma en la que el acero vuelve a la temperatura ambiente. El enfriamiento del proceso puede incluir su inmersión en aceite o el uso del aire como refrigerante.
El método del tratamiento térmico, incluyendo su enfriamiento, influye en que el acero tome sus propiedades comerciales.
Según ese método, en algunos sistemas de clasificación, se le asigna un prefijo indicativo del tipo. Por ejemplo, el acero O-1, o A2, A6 (o S7) donde la letra "O" es indicativo del uso de aceite (del inglés: oil quenched), y "A" es la inicial de aire; el prefijo "S" es indicativo que el acero ha sido tratado y considerado resistente al golpeo (Shock resistant).
Mecanizado del acero [editar]
Acero laminado [editar]
Artículo principal: Acero laminado
El acero que se utiliza para la construcción de estructuras metálicas y obras públicas, se obtiene a través de la laminación de acero en una serie de perfiles normalizados de acuerdo a las Normas Técnicas de Edificación.
El proceso de laminado consiste en calentar previamente los lingotes de acero fundido a una temperatura que permita la deformación del lingote por un proceso de estiramiento y desbaste que se produce en una cadena de cilindros a presión llamado tren de laminación. Estos cilindros van conformando el perfil deseado hasta conseguir las medidas adecuadas. Las dimensiones del acero que se consigue no tienen tolerancias muy ajustadas y por eso muchas veces a los productos laminados hay que someterlos a fases de mecanizado para ajustar su tolerancia.
Acero forjado [editar]
Artículo principal: Acero forjado
Biela motor de acero forjado
La forja es el proceso que modifica la forma de los metales por deformación plástica cuando se somete al acero a una presión o a una serie continuada de impactos. La forja generalmente se realiza a altas temperaturas porque así se mejora la calidad metalúrgica y las propiedades mecánicas del acero.
El sentido de la forja de piezas de acero es reducir al máximo posible la cantidad de material que debe eliminarse de las piezas en sus procesos de mecanizado. En la forja por estampación la fluencia del material queda limitada a la cavidad de la estampa, compuesta por dos matrices que tienen grabada la forma de la pieza que se desea conseguir.
Acero corrugado [editar]
Artículo principal: Acero corrugado
El acero corrugado es una clase de acero laminado usado especialmente en construcción, para armar hormigón armado, y cimentaciones de obra civil y pública, se trata de barras de acero que presentan resaltos o corrugas que mejoran la adherencia con el hormigón está dotado de una gran ductilidad, la cual permite que a la hora de cortar y doblar no sufra daños, y tiene una gran soldabilidad, todo ello para que estas operaciones resulten más seguras y con un menor gasto energético.
Malla de acero corrugado
Las barras de acero corrugado, están normalizadas, por ejemplo en España las regulan las normas (UNE 36068:1994- UNE 36065:2000 –UNE36811:1996)
Las barras de acero corrugados se producen en una gama de diámetros que van de 6 a 40 mm, en la que se cita la sección en cm2 que cada barra tiene así como su peso en kg. Las barras inferiores o iguales a 16 mm de diámetro se pueden suministrar en barras o rollos, para diámetros superiores a 16 siempre se suministran en forma de barras.
Las barras de producto corrugado tienen unas características técnicas que deben cumplir, para asegurar el cálculo correspondiente de las estructuras de hormigón armado. Entre las características técnicas destacan las siguientes, todas ellas se determinan mediante el ensayo de tracción:
Límite elástico Re (Mpa) Carga unitaria de rotura o resistencia a la tracción Rm (MPa) Alargamiento de rotura A5 (%) Alargamiento bajo carga máxima Agt (%) Relación entre cargas Rm/Re
Estampado del acero [editar]
Puerta automóvil troquelada y estampadaArtículo principal: Estampación de metales
La estampación del acero consiste en un proceso de mecanizado sin arranque de viruta donde a la plancha de acero se la somete por medio de prensas adecuadas a procesos de embutición y estampación para la consecución de determinadas piezas metálicas. Para ello en las prensas se colocan los moldes adecuados.
Troquelación del acero [editar]
Artículo principal: Troquelación
La troquelación del acero consiste en un proceso de mecanizado sin arranque de viruta donde se perforan todo tipo de agujeros en la plancha de acero por medio de prensas de impactos donde tienen colocados sus respectivos troqueles y matrices.
Mecanizado blando [editar]
Torno paralelo modernoArtículo principal: Mecanizado
Las piezas de acero permiten mecanizarse en procesos de arranque de virutas en máquinas-herramientas (taladro, torno, fresadora, centros de mecanizado CNC, etc.) luego endurecerlas por tratamiento térmico y terminar los mecanizados por procedimientos abrasivos en los diferentes tipos de rectificadoras que existen.
Rectificado [editar]
El proceso de rectificado permite obtener muy buenas calidades de acabado superficial y medidas con tolerancias muy estrechas, que son muy beneficiosas para la construcción de maquinaria y equipos de calidad. Pero el tamaño de la pieza y la capacidad de desplazamiento de la rectificadora pueden presentar un obstáculo.
Mecanizado duro [editar]
En ocasiones especiales, el tratamiento térmico del acero puede llevarse a cabo antes del mecanizado en procesos de arranque de virutas, dependiendo del tipo de acero y los requerimientos que deben ser observados para determinada pieza. Con esto, se debe tomar en cuenta que las herramientas necesarias para dichos trabajos deben ser muy fuertes por llegar a sufrir desgaste apresurado en su vida útil. Estas ocasiones peculiares, se pueden presentar cuando las tolerancias de fabricación son tan estrechas que no se permita la inducción de calor en tratamiento por llegar a alterar la geometría del trabajo, o también por causa de la misma composición del lote del material (por ejemplo, las piezas se están encogiendo mucho por ser tratadas). En ocasiones es preferible el mecanizado después del tratamiento térmico, ya que la estabilidad óptima del material ha sido alcanzada y, dependiendo de la composición y el tratamiento, el mismo proceso de mecanizado no es mucho más difícil.
Mecanizado por descarga eléctrica [editar]
Artículo principal: Electroerosión
En algunos procesos de fabricación que se basan en la descarga eléctrica con el uso de electrodos, la dureza del acero no hace una diferencia notable.
Taladrado profundo [editar]
Artículo principal: Taladrado profundo
En muchas situaciones, la dureza del acero es determinante para un resultado exitoso, como por ejemplo en el taladrado profundo al procurar que un agujero mantenga su posición referente al eje de rotación de la broca de carburo. O por ejemplo, si el acero ha sido endurecido por ser tratado térmicamente y por otro siguiente tratamiento térmico se ha suavizado, la consistencia puede ser demasiado suave para beneficiar el proceso, puesto que la trayectoria de la broca tenderá a desviarse.
Doblado [editar]
El doblado del acero que ha sido tratado térmicamente no es muy recomendable pues el proceso de doblado en frío del material endurecido es más difícil y el material muy probablemente se haya tornado demasiado quebradizo para ser doblado; el proceso de doblado empleando antorchas u otros métodos para aplicar calor tampoco es recomendable puesto que al volver a aplicar calor al metal duro, la integridad de este cambia y puede ser comprometida.
Armadura para un pilar de sección circular.
Perfiles de acero [editar]
Artículo principal: El acero y sus perfiles
Para su uso en construcción, el acero se distribuye en perfiles metálicos, siendo éstos de diferentes características según su forma y dimensiones y debiéndose usar específicamente para una función concreta, ya sean vigas o pilares. Un tipo de acero laminado que se utiliza para las estructuras de hormigón armado son barras de diferentes diámetros con unos resaltes, que se llama acero corrugado.
Aplicaciones del acero [editar]
Bobina de cable de acero trenzado.
El acero en sus distintas clases está presente de forma abrumadora en nuestra vida cotidiana en forma de herramientas, utensilios, equipos mecánicos y formando parte de electrodomésticos y maquinaria en general así como en las estructuras de las viviendas que habitamos y en la gran mayoría de los edificios modernos.En este contexto existe la versión moderna de perfiles de acero denominada Metalcón.
Los fabricantes de medios de transporte de mercancías (camiones) y los de maquinaria agrícola son grandes consumidores de acero.
También son grandes consumidores de acero las actividades constructoras de índole ferroviario desde la construcción de infraestructuras viarias así como la fabricación de todo tipo de material rodante.
Otro tanto cabe decir de la industria fabricante de armamento, especialmente la dedicada a construir armamento pesado, vehículos blindados y acorazados.
También consumen mucho acero los grandes astilleros constructores de barcos especialmente petroleros, y gasistas u otros buques cisternas.
Como consumidores destacados de acero cabe citar a los fabricantes de automóviles porque muchos de sus componentes significativos son de acero.
A modo de ejemplo cabe citar los siguientes componentes del automóvil que son de acero:
Son de acero forjado entre otros componentes: cigüeñal, bielas, piñones, ejes de transmisión de caja de velocidades y brazos de articulación de la dirección.
De chapa de estampación son las puertas y demás componentes de la carrocería. De acero laminado son los perfiles que conforman el bastidor. Son de acero todos los muelles que incorporan como por ejemplo; muelles de
válvulas, de asientos, de prensa embrague, de amortiguadores, etc. De acero de gran calidad son todos los rodamientos que montan los automóviles. De chapa troquelada son las llantas de las ruedas, excepto las de alta gama que son
de aleaciones de aluminio. De acero son todos los tornillos y tuercas.
Cabe destacar que cuando el automóvil pasa a desgüace por su antigüedad y deterioro se separan todas las piezas de acero, son convertidas en chatarra y son reciclados de nuevo en acero mediante hornos eléctricos y trenes de laminación o piezas de fundición de hierro.
Ensayos mecánicos del acero [editar]
Artículo principal: Ensayos mecánicos de los materiales
Cuando un técnico proyecta una estructura metálica, diseña una herramienta o una máquina, define las calidades y prestaciones que tienen que tener los materiales constituyentes. Como hay muchos tipos de aceros diferentes y, además, se pueden variar sus prestaciones con tratamientos térmicos, se establecen una serie de ensayos mecánicos para verificar principalmente la dureza superficial, la resistencia a los diferentes esfuerzos que pueda estar sometido, el grado de acabado del mecanizado o la presencia de grietas internas en el material.
Hay dos tipos de ensayos, unos que pueden ser destructivos y otros no destructivos.
Ensayos no destructivos [editar]
Durómetro
Los ensayos no destructivos son los siguientes:
Ensayo microscópico y rugosidad superficial. Microscopios y rugosímetros. Ensayos por ultrasonidos. Ensayos por líquidos penetrantes. Ensayos por partículas magneticas.
Ensayos destructivos [editar]
Curva del ensayo de tracción
Los ensayos destructivos son los siguientes:
Ensayo de tracción con probeta normalizada. Ensayo de resiliencia. Ensayo de compresión con probeta normalizada. Ensayo de cizallamiento. Ensayo de flexión. Ensayo de torsión. Ensayo de plegado. Ensayo de fatiga. Ensayo de dureza (Brinell, Rockwell, Vickers). Mediante durómetros.
Todos los aceros tienen estandarizados los valores de referencia de cada tipo de ensayo al que se le somete.27
Producción y consumo de acero [editar]
Evolución del consumo mundial de acero (2005) [editar]
El consumo mundial de productos de acero acabados en 2005 registró un aumento de aproximadamente un 6% y supera actualmente los mil millones de toneladas. La evolución del consumo aparente resulta sumamente dispar entre las principales regiones geográficas. El consumo aparente, excluida China, experimentó una caída del 1,0% debida, fundamentalmente, a la notable disminución observada en Europa (EU25) y Norteamérica. China, por el contrario, registró un incremento del consumo aparente del 23% y representa en la actualidad prácticamente un 32% de la demanda mundial de acero. En Europa (UE25) y Norteamérica, tras un año 2004 marcado por un significativo aumento de los stocks motivado por las previsiones de incremento de precios, el ejercicio 2005 se caracterizó por un fenómeno de reducción de stocks, registrándose la siguiente evolución: -6% en Europa (UE25), -7% en Norteamérica, 0,0% en Sudamérica, +5% en CEI, +5% en Asia (excluida China), +3% en Oriente Medio.28
Producción mundial de acero (2005) [editar]
La producción mundial de acero bruto en 2005 ascendió a 1.129,4 millones de toneladas, lo que supone un incremento del 5,9% con respecto a 2004. Esa evolución resultó dispar en las diferentes regiones geográficas. El aumento registrado se debe fundamentalmente a las empresas siderúrgicas chinas, cuya producción se incrementó en un 24,6%, situándose en 349,4 millones de toneladas, lo que representa el 31% de la producción mundial, frente al 26,3% en 2004. Se observó asimismo un incremento, aunque más moderado, en India (+16,7%). Asia produce actualmente la mitad del acero mundial, a pesar de que la contribución japonesa se ha mantenido estable. Paralelamente, el volumen de producción de las empresas siderúrgicas europeas y norteamericanas se redujo en un 3,6% y un 5,3% respectivamente.
La distribución de la producción de acero en 2005 fue la siguiente según cifras estimadas por el International Iron and Steel Institute (IISI) en enero de 2006:29
Europa
UE-25 UE-15
CEI
331186115113
Norteamérica y Centroamérica EE. UU.
13499,7
Sudamérica Brasil
4532,9
Asia China
Japón
508280112
Resto del mundo 39,3
- Datos en millones de toneladas.- La CEI está compuesta por Rusia, Ucrania,Bielorrusia, Moldavia, Kazajistán y Uzbekistán
