Los Metales

INTRODUCCIÓN

El hierro y sus aleaciones fue el primer metal que se usó industrialmente en la práctica para las estructuras. Poco a poco se fue introduciendo como material de construcción, primero con elementos de fundición y finalmente con los redondos y elementos tubulares que facilitan la esbeltez de las modernas estructuras metálicas.

Las primeras estructuras metálicas fueron puentes (en torno a 1800), posteriormente se empezaron a construir edificios, en 1887 se construyó un edificio de 12 plantas en Chicago y en 1931 se inauguró en Nueva York el “Empire State Building” de 85 plantas y 379 m de altura.

El acero en sus distintas clases está presente de diferente forma en nuestra vida cotidiana como 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.

El uso del acero se multiplicó gracias al avance de la metalurgia y a la soldadura eléctrica. La característica fundamental de las modernas estructuras de acero es la simplificación estructural y la esbeltez. Desde sus primeras aplicaciones en puentes y después en rascacielos, el acero ha ido ganando uso sobre todo en edificios de viviendas y oficinas.

La atención se ha centrado en el acero estructural por ser la variedad usada en la construcción de edificios y obras industriales.

REVISIÓN LITERARIA

LOS MATERIALES METÁLICOS

El hierro es un compuesto ferroso con menos del 0.03 % de carbono, se caracteriza por ser poco resistente.

A partir del mineral de hierro bruto se obtiene la fundición en altos hornos. Puede ser blanca (muy frágil) o gris. La fundición es frágil, y su resistencia a tracción es baja comparada con la del acero. Se usa sobre todo en piezas curvas poco solicitadas, marquesinas y elementos decorativos.

El material más empleado es el acero. Otros metales con un uso más limitado son:

Cobre: su uso es reducido debido a su elevado precio, pero sus buenas cualidades electroquímicas y su buena manejabilidad lo hacen necesario en ciertos casos. Es muy maleable y con tratamientos de laminado en frío puede alcanzar resistencias de hasta 1200 kg/cm2.

Zinc: se suele usar como protector anticorrosivo (galvanizado). Una aleación de zinc muy usada es el zilloy, que se aplica en techos corrugados, con ventaja sobre la chapa galvanizada por su buena rigidez y resiste bien la corrosión.

Aluminio: es ligero comparado con el acero, más resistente a la corrosión y con acabados muy decorativos. Es dúctil y maleable lo que lo hace fácilmente laminable y extrusionable. Se usa sobre todo en exteriores, cubiertas (laminado en chapa y pulido), carpintería de huecos, ETC.

1. EL ACERO

El acero está compuesto por hierro puro + metaloides (C, S, P, Si) + metales variables (Mn, Cr, Ni, etc.). Éstos últimos son los que le dan sus grandes propiedades. La cantidad de carbono debe ser superior al 0.03 %, pero menor de 2 %.

Bajo la denominación de aceros se incluye a todos aquellos que por economía, resistencia, ductilidad y otras propiedades, resultan apropiados para materializar piezas que soportan cargas en una gran variedad de aplicaciones en la construcción.

Se destinan a cubrir las necesidades generales de la ingeniería en la construcción de edificios, estructuras, puentes, órganos de máquinas, herramientas, etc.

Los aceros son, en general, tanto más duros cuanto más carbono tengan. En cambio son más soldables y más resistentes a los golpes, los que poseen menos carbono. El hecho de ser dúctiles y maleables (capacidad de formar hilos y planchas) diversifica enormemente su empleo.

Los aceros se pueden clasificar según su contenido de carbono en:

Aceros con bajo contenido de carbono o extrasuaves. El porcentaje de carbono fluctúa entre 0,06 a 0,15 %. Son aceros de baja resistencia (36 a 40 kg/mm2 en estado natural), de gran tenacidad (muy deformables sin romperse) y fácilmente soldables. Se utilizan en elementos de maquinarias, son especialmente indicados para lograr estampados profundos, plegados en frío y fabricación de tubos soldados, alambres, clavos, tornillos y hojalata. Su resistencia mejora si se les somete a procesos de estirado en frío.

Aceros estructurales o suaves. El porcentaje de carbono fluctúa entre 0,20 y 0,28 %. Su resistencia es de 38 a 44 kg/mm2, tiene buena tenacidad y son fácilmente soldables. Presentan una zona elástica bien formada y definida.

Aceros con contenido medio de carbono o semiduros. El porcentaje de carbono fluctúa entre 0,30 y 0,50 %. Su buena resistencia (50 a 60 kg/mm2) y poco alargamiento lo señalan como especialmente adecuados para la fabricación de partes y piezas en la industria automotriz.

Aceros duros. Con contenido de carbono de 0,50 a 0,65 %. Sus aplicaciones están generalmente en ejes, transmisiones, tensores y piezas regularmente cargadas y de espesores no muy altos. Templan bien en agua y aceite y son poco soldables.

Aceros con alto contenido de carbono o muy duros. Su porcentaje de carbono varía de 0,70 a 0,95 %. Se emplean en la fabricación de piezas de gran resistencia y grandes dimensiones: cigüeñales, bielas, ejes muy cargados, coronas de reductores, etc. En algunos casos este tipo de acero debe ser sometido a tratamiento térmico (recocido) antes de trabajarse. Es soldable sólo con técnicas y electrodos especiales y difíciles de cortar con soplete.

1. 1. Proceso de fabricación

A partir del mineral de hierro (formado por óxidos de Fe y ganga) se obtiene en los altos hornos el arrabio (hierro con un 4 % aproximadamente de carbono).

El arrabio es duro pero muy frágil (interesa más un material dúctil, que “avisa” de su estado tensional), para reducir el % de carbono sin perder resistencia; se afina el arrabio en convertidores (se quema el carbono sobrante), obteniéndose el acero en bruto con un % de carbono en torno al 2 %.

Posteriormente se vierte en lingoteras para su enfriamiento y posterior acabado. El proceso de acabado puede ser por: forja, moldeo, trefilado o laminación; para ello se calienta previamente (o bien viene directamente del convertidor mediante un proceso de colado continuo, con lo que se evitan las lingoteras, el desmoldeado y posterior calentamiento). Tras este proceso se pueden aplicar tratamientos térmicos (templado, recocido, revenido, etc.) para alcanzar las propiedades mecánicas y químicas deseadas.

El acero más empleado en la construcción es el laminado.

El laminado consiste en transformar el acero en bruto a alta temperatura en elementos de formas dadas usados en la construcción, para ello se usan laminadoras (máquinas herramienta de alta potencia) esencialmente formadas por cilindros paralelos.

Las laminadoras se disponen en trenes de laminación, transformando el acero en forma progresiva con un cierto número de pasadas.

Este proceso mejora sensiblemente las cualidades del acero (elimina imperfecciones del lingote, oquedades, etc.) alargando los cristales de acero en la dirección de la laminación. El acero resultante es bastante homogéneo.

Sus cualidades de resistencia a compresión, tracción y cizalladura son muy altas, con buenas cualidades de elasticidad y dilatación.

Otros aceros:

Moldeado: se solía usar para elementos de formas complejas, difíciles de obtener con uniones remachadas o atornilladas. La aparición de la soldadura ha reducido mucho su uso. Hoy se usa en piezas muy cargadas y con posibilidad de giro o deslizamiento sobre otras (por ejemplo aparatos de apoyo).

Presenta problemas de falta de homogeneidad, debiéndose radiografiar o comprobar por ultrasonidos las piezas.

Tiene mayor resistencia a tracción y flexión que la fundición pero mucho menos que el acero laminado.

Forjado: se trabaja sobre el acero en caliente por aplastamiento con un martillo pilón. Su uso se limita también a zonas especiales con esfuerzos altos y complejos (apoyos). Presenta una buena homogeneidad y resistencia.

Trefilado: tienen alta resistencia. Se usan en cables de construcción y hormigón pretensado.

1. 2. Propiedades físicas y mecánicas del acero

► Resistencia y ductilidad

Se observa en el gráfico que cuando aumenta la resistencia del material virgen, disminuye la ductilidad, característica que se mantiene en todos los productos siderúrgicos.

Otra propiedad del acero, la dureza, es normalmente dependiente también de su resistencia. La dureza está relacionada con la capacidad de prevenir el desgaste y deterioro por acciones mecánicas, por lo que será mayor en aceros más resistentes.

► Absorción de energía

El comportamiento del acero puede ser de dos tipos:

• Dúctil, cuando su curva tensión-deformación muestra las zonas características bien definidas.

• Frágil, cuando la ruptura se alcanza repentinamente, con baja deformación, y por tanto con un mínimo de energía absorbida durante el ensayo.

► Resistencia a esfuerzos repetitivos

Fatiga es el deterioro progresivo de un metal hasta la rotura parcial o total bajo el efecto de tensiones alternadas o repetidas. Esto es, un elemento estructural sometido a esfuerzos cíclicos, puede fallar eventualmente, aun cuando la tensión máxima a que esté sometido sea menor que el límite de fluencia.

El origen de la falla por fatiga debe ser buscado a nivel del átomo, puesto que ella parece ser, esencialmente, una acumulación

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