Informe 4 - G3 - Tracción en acero laminado al calor y acero laminado en frío PDF

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Informe 4 - G3 - Tracción en acero laminado al calor y acero laminado en frío...

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UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR

FACULTAD DE INGENIERÍA Y CIENCIAS APLICADAS CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL REDISEÑO ENSAYO DE MATERIALES I PRÁCTICA Nº: 4

TEMA: TRACCIÓN EN ACERO LAMINADO AL CALOR Y ACERO LAMINADO EN FRÍO

NOMBRES DE INTEGRANTES:  CALCÁN GUATEMAL CARLOS OSWALDO  DÍAZ LÓPEZ LUIS ARMANDO  JUCA CANCHIGNIA ISAAC ANTHONY  LASSO MONTALVO ERICK ALEXANDER  LLANO PANELUISA FERNANDO WLADIMIR (COORDINADOR)  MOREJÓN VILLARES CARMEN LIZBETH  ORTEGA CHAZO STEPHANIE LISSETTE

GRUPO Nº: 3 SEMESTRE: TERCERO FECHA DE REALIZACIÓN: 06/01/2021 FECHA DE ENTREGA: 13/01/2021

PARALELO: 2

TRACCIÓN EN ACERO LAMINADO AL CALOR Y ACERO LAMINADO EN FRÍO INTRODUCCIÓN ¿Qué es el acero? Antes de comenzar, podemos revisar una breve historia del acero. Según estudios arqueológicos, no se tiene con exactitud una fecha en donde se haya empleado una técnica para la fundición de hierro, pero, se han encontrado artículos que aproximadamente datan del año 3000 A.C en Egipto. También los griegos en un tratamiento térmico ya podían endurecer armas de hierro aproximadamente en el año 1000 A.C. Las primeras personas que trabajaban en el hierro podían realizar aleaciones que hoy en día se denomina hierro forjado, en donde, se calentaba una masa de hierro con carbón vegetal por medio de un horno de tiro forzado, con esto se reducía el hierro a una especie de masa esponjosa llena de impurezas del metal y las cenizas de carbón vegetal; esta esponja todavía incandescente se la retiraba y se empezaba a dar martillazos para expulsar la escoria y así soldar el hierro , cabe mencionar que esta técnica producía de manera accidental un acero auténtico en vez de hierro forjado [ CITATION Ale10 \l 2058 ]. Desde el siglo catorce aumentó el tamaño de los hornos de una manera considerable, igualmente el tiro que fuerza el camino o paso de los gases de combustión utilizados para mezcla de materias primas. Con estos nuevos hornos, el hierro que se localizaba en la parte de arriba del horno se reducía a hierro metálico y luego por los gases que lo atravesaban, absorbía más carbono. Este proceso daba como producto el llamado arrabio que es una aleación que funde a una menor temperatura que el hierro forjado o el acero, luego se lo refinaba para la fabricación de acero [ CITATION Ale10 \l 2058 ]. En la actualidad se emplean altos hornos que obviamente son una versión mejorada de los que se usaban en la antigüedad. El proceso de refinación del arrabio por medio de chorros de aire fue gracias al inventor Henry Bessemer que desarrolló en el año 1855 un horno convertidor; ya desde los años sesenta se emplean hornos pequeños que funcionan con electricidad en donde se puede producir acero usando la chatarra. La industria de la construcción sigue evolucionando por lo que se siguen creando nuevas fórmulas para la producción del acero con varios tipos de propiedades para que tenga una mejor funcionalidad en lo que se lo requiera, en sí el acero es un material fundamental y principal para las construcciones u obras [ CITATION Ale10 \l 2058 ]. El acero es un material versátil, amigable y cotidiano para la industria de la construcción y que se le encuentra varios usos y cada día se desarrollan nuevos productos con acabados, formas y propiedades mejoradas, nuevos recubrimientos y aleaciones [ CITATION Ale10 \l 2058 ]. Ahora empezaremos por la composición del acero y sus propiedades tanto físicas como mecánicas. El acero está compuesto por la aleación de hierro con carbono en donde su peso de composición varía entre el 0.03% y 1.075%, eso sí, depende del grado. Usualmente se suele confundir entre el hierro y el acero, para esto, se debe tomar las siguientes diferencias: el hierro 1

es un metal tenaz y duro relativamente, su diámetro atómico es de 2.48 Á, temperatura de fusión de 1535°Cy su punto de ebullición de 2740°C, ahora, lo que le diferencia del acero es su porcentaje en composición de carbono, el acero es en su mayoría hierro con un respectivo porcentaje de carbono entre el 0.03% -1.075%; en sí el acero conserva las mismas características metálicas del hierro pero en su estado puro, ya con la adición del carbono entre otros elementos no metálicos y metálicos, sus propiedades físicas y químicas mejoran enfatizando que su resistencia se vuelve mayor [CITATION Aso \t \l 2058 ]. Existen muchos tipos de acero determinados según los elementos que se encuentren presentes, cada tipo de acero se lo utilizará dependiendo la aplicación que se le vaya a dar, haciendo que se vuelva un material muy usado y versátil que se lo puede encontrar con facilidad. A continuación, podemos nombrar las ventajas que tiene el acero:   

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Los principales componentes del acero se encuentran en la naturaleza en abundancia. Se puede reciclar de manera indefinida sin que pierda sus propiedades o atributos, favoreciendo su producción a una gran escala. Su disponibilidad y variedad hace que sea apto para diferentes tipos de usos como, por ejemplo: construcción de maquinaria, edificios, obras públicas herramientas industria automotriz, aeronáutica, instrumentos médicos, etc. Contribuye al desarrollo tecnológico de las sociedades en cuanto a industrias se refiere. Ningún material lo iguala en cuanto a la fatiga y resistencia al impacto se trata. Compuesto de hierro; el cuarto elemento más común de la Tierra. Dependiendo de lo que se le añada, puede volverse maleable y blando, delicado o duro. Se lo puede laminar, calentar, forjar y enfriar. Cada año se crean nuevas y mejores formas de producir acero. Todo el tiempo se desarrollan nuevos tipos de acero: más fuerte, más flexible y limpio [ CITATION Aso \l 2058 ].

La rama que se especializa en la producción del acero es llamada acería o siderurgia; para entrar en más detalle en cuanto a sus componentes se refiere, es un material relativamente dúctil y duro con una temperatura de fusión de 1535°C. El Carbono es un elemento no metal el cual es considerado como una sustancia versátil y esencial, siendo el quinceavo elemento más abundante de la corteza y el cuarto en el universo entero; se encuentra presenta en el núcleo de las estrellas y en nuestra vida cotidiana [ CITATION Uni1 \l 2058 ]. Grados de Acero Los diferentes tipos de acero se dividen según la cantidad de carbono que tengan en su composición, los aceros de carbono contienen un diverso porcentaje de carbono, el cual, definirá sus propiedades mecánicas:   

Menos del 1.65% en manganeso. 0.6% en silicio. 0.6% en cobre [ CITATION Uni1 \l 2058 ]. 2

Como dato tenemos que los aceros que se encuentran en la industria, el 90% son aceros de carbono. El aumento o disminución en este porcentaje hará que las propiedades mecánicas dependan de ello como el aumento de la resistencia o dureza y la disminución de sus propiedades de soldabilidad, ductilidad y elongación. En tanto en su composición química es compleja ya que en la aleación se necesitan de otros elementos para su fabricación como el manganeso y silicio más otros elementos considerados como impurezas ya que son difíciles de excluirlos en su totalidad como el hidrógeno, azufre, oxígeno, fósforo. Se puede constatar que entre más porcentaje de carbono se encuentre en el acero aumenta su resistencia a la tracción, así como el índice de fragilidad en frío, y disminuyendo la tenacidad y ductibilidad [ CITATION Uni1 \l 2058 ]. Tipos de Acero según el Grado de Carbono Aceros de bajo porcentaje de carbono:

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También llamado fierros o aceros dulces. Tienen porcentajes inferiores al 0.25% en carbono. Maleables, dúctiles, soldables, maquinables. No responden al tratamiento térmico de temple. Fabricación de alambres, perfiles estructurales, barras, tornillos, varillas, clavos, etc. Figura 1. Tienen una buena soldabilidad, usualmente no presentan problemas, si las temperaturas son bajas se les realiza un calentamiento y además cuando de las chapas el espesor supera a los 25 mm [ CITATION Uni1 \l 2058 ].

Figura 1: Aceros de bajo porcentaje de carbono. Tomada de [ CITATION Uni1 \l 2058 ]. Aceros de mediano porcentaje de carbono:

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Tienen mayor resistencia y dureza que los aceros con menor porcentaje en carbono. El porcentaje en carbono se encuentra entre el 0.25% al 0.55%. Resisten cierto grado de temple. Más duros y resistentes. Un tanto más difícil su soldabilidad.

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 

Se pueden fabricar resortes, herramientas de agricultura, engranajes, ejes para máquinas y vehículos, etc. Figura 2. Para su soldabilidad es necesario realizar un precalentamiento con anticipación, generalmente para la producción de alambres y cables, vías de ferrocarril [ CITATION Uni1 \l 2058 ].

Figura 2: Aceros de mediano porcentaje de carbono. Tomada de [ CITATION Uni1 \l 2058 ]. Aceros de alto porcentaje de carbono:

 



Este tipo de acero es el más resistente y duro que los mencionados anteriormente ya que su composición es muy buena para el temple. Se utiliza para la fabricación de herramientas tales como arranque de viruta y corte: cuchillas de torno, yunques, limas discos de arado, cintas de sierra, brocas, muelle, etc. Figura 3. Muy baja soldabilidad por lo que ya no se sueldan [ CITATION Uni1 \l 2058 ].

Figura 3: Aceros de mediano porcentaje de carbono. Tomada de [ CITATION Uni1 \l 2058 ]. En general podemos decir que los tipos de acero se dividen según las siguientes bases:     

Composición química: contenido de carbono, baja aleación, grados del acero. Tipos de fabricación: horno eléctrico, horno reverbero, base de oxígeno. Proceso de acabado: productos laminados en frío o caliente. Forma del producto: lamina tira, placa de barra, forma estructural. Práctica de desoxidación: muerto, semimuerto, grados del acero tapado o bordeado. 4

  

Microestructura: grados del acero perlítico, martensítico, ferrítico. Nivel de fuerza: grado de acero A 240 grado C(ASTM) Tratamientos térmicos: templado y revenido, recocido, procesado termo-mecánico [ CITATION Gra \l 2058 ].

Según el grado de Carbono, el acero se divide en 3 grupos:   

Grados de bajo carbono: AISI1005-AISI1026, HSLA, IF, TWIP, TRIP. Grados de medio carbono: AISI1029-AISI1053. Grados de alto carbono: AISI1055-AISI1095 [ CITATION Gra \l 2058 ].

Según la clasificación europea, los grados de acero se dividen en:      

No aleados: EN DC01-DC06, S275, etc. Aleados: 25CrMo4 y 2CrMo4. Acero inoxidable Herramientas: EN1.1545; AISI/SAEW110, etc. Para tiras y láminas Para tiras y láminas eléctricas: EN1.0890 [CITATION Gra \l 2058 ].

Precios por metro de varilla El mercado de la construcción es el que nunca descansa del movimiento económico, los precios se dan en base a las especificaciones con las que cuenta el material, la calidad con la que cuente es la primordial, a partir de la evolución de formas de construcción e innovación en los materiales, las ferreterías, fábricas distribuidoras de material de construcción e incluso zonas de reciclaje de chatarra han aumentado considerablemente; la suspensión durante la pandemia afecto la producción de material pero la exigencia de este para reanudar las construcciones fue tan grande que los precios por el material primo para elaborar acero y hierro crecieron hasta el doble de lo que sabe costar comúnmente. Esto afecta al material final, de tal manera que los precios por metro actuales de las varillas en base a los diámetros comerciales definidos anteriormente son los descritos en la Tabla 1. Tabla 1: Precios de varilla corrugada Costo ($) Diámetro (mm)

ADELCA

PURUHÁ

8 10 12 14

12 m 4.58 7.16 10.25 14.01

1m 0.38 0.60 0.85 1.17

12m 4.88 7.63 10.99 14.94

1m 0.41 0.64 0.92 1.25

16

18.30

1.52

19.51

1.63 5

18

23.17

1.93

24.70

2.06

20

28.60

2.38

30.49

2.54

22

34.61

2.88

36.89

3.07

25

45.59

3.80

47.64

3.97

28

56.89

4.74

59.77

4.98

32

77.04

6.42

78.06

6.50

Fuente: Tomada de [ CITATION Meg \l 3082 ] Acero Estructural La construcción ha pasado por tantas etapas y el arte gótico ha sido la más compleja, en la cúspide de las infraestructuras y el desarrollo con varios estilos, era difícil encontrar el punto en el cual se llegue a la optimización de la estructura al igual que el diseño que esta impone, estos inconvenientes se dieron en la construcción de catedrales en las cuales los ingenieros de aquellos tiempos idearon varios tipos de artimañas para levantar la obra y que quedase acorde a las peticiones del obispo a cargo, el material usado era la piedra y mezclas simples, la madera era una opción para aguantar tanto peso pero no siempre era posible conseguirla. Para sostener el peso de arriba se implementaba el arco de medio punto o luego el arco apuntado que se consideró mejor para la distribución del peso, en las columnas que reciben el peso se optó por insertar contrafuertes, arbotantes; de tal manera se podía tener una estructura firme y sin afectar la entrada de luz que era lo primordial. Es por tal que los ingenieros de aquella época se retuercen, ya que hoy en día el acero hace mucho más simple la construcción de grandes edificios con resistencia para grandes cargas y el acero estructural es el más usado porque posee una combinación de alta resistencia, tensión, comprensión, gran rigidez y elasticidad. El acero estructural se obtiene al combinar el hierro, carbono y pequeñas proporciones de silicio, fósforo, azufre y oxígeno, esto y su método de fabricación, incluido el procesamiento durante esta, contribuyen con propiedades determinadas. Los límites de composición, calidad y rendimiento, los cuales son presumidos por diseñadores estructurales vienen definidos por los estándares del producto. Este acero es uno de los básicos en la construcción de estructuras, algunas de estas son edificios, naves industriales, hoteles, hospitales, escuelas, centros comerciales, puentes, muelles, entre otros [ CITATION Pad16 \l 3082 ]. La producción de este material se da en una amplia gama de formas y grados, esto permite una gran flexibilidad en su uso, de tal manera termina convirtiéndose en el material más fuerte y versátil disponible para la industria de la construcción, anteriormente mencionamos algunos ejemplos en los cuales se usa este material, pero puntualmente en la Figura1 vemos una gran construcción a base de acero estructural y en la Figura2 observamos un puente de igual manera construido con este material. Las propiedades que estos materiales requieren para el diseño de las estructuras son: resistencia, tenacidad, ductilidad, soldabilidad, durabilidad; las cuales 6

especificaremos más adelante al igual que los factores que influyen en estas propiedades. La construcción con este material viene llena de grandes beneficios uno de ellos es que las técnicas de ingeniería que se aplican optimizan el tiempo de construcción al igual que reducen el costo [ CITATION Pad16 \l 3082 ].

Figura 4: Obra a base de acero estructural. Tomada de [CITATION Pad161 \t \l 3082 ]

Figura 5: Puente construido con acero estructural. Tomado de [ CITATION Par18 \l 3082 ]

Las propiedades que necesita este material para ser óptimo en su construcción se ven influidos por algunos factores, respecto a la resistencia que tiene puede ser aumentada mediante la adición de aleaciones como manganeso, niobio y vanadio; pero no es algo bueno porque pueden afectar negativamente a su ductilidad, tenacidad y soldabilidad. Minimizando el nivel de azufre se mejora la ductilidad, y la dureza gracias a la adición de níquel. De tal manera la composición química para cada especificación de acero es cuidadosamente balanceada y probada en el proceso de elaboración, este proceso implica combinaciones de tratamiento térmico y trabajo mecánico que son de importancia crítica para el rendimiento del acero; el trabajo mecánico tiene lugar a medida que el acero se lamina o forma, cuanto más acero se lamina se vuelve más fuerte. En cuanto el efecto que produce el tratamiento térmico se describe de mejor manera gracias a las rutas del proceso de producción, siendo las principales el acero laminado, acero normalizado, acero laminado normalizado, acero laminado termo mecánicamente (TMR), acero templado y revenido (Q&T) [ CITATION Ing21 \l 3082 ]. 7

Resistencia. – Esta propiedad es muy característica ya que el acero estructural puede soportar grandes esfuerzos y dar mayor seguridad a las estructuras, esencialmente para aquellas que son propensas a sufrir esfuerzos por sobrecarga o fenómenos naturales tales como sismos o huracanes. Tenacidad. – Las imperfecciones de este material toman la forma de grietas muy pequeñas y si el acero no es suficientemente resistente, este puede llegar a ser doblado, roto e incluso molido. Ductilidad. – Eta propiedad es la medida del grado en que un material puede deformarse o alargase entre el inicio del rendimiento y la fractura eventual bajo carga de tracción y el acero estructural es considerado un material dúctil, pero esto no quiere decir que la estructura fabricada con este lo sea. Soldabilidad. – La ventaja de este material es que puede ser adherido fácilmente mediante soldadura, sin embargo, esta implica fundir localmente el acero que posteriormente se enfriará. Durabilidad. – Es muy importante la prevención a la corrosión que presenta este material, existen aceros especialmente resistentes a esto, pero no se usa al igual que este, su excepción es debido a la intemperie al que se encuentre ya que las condiciones climáticas influyen de gran manera. Como vemos se puede notar es muy importante las propiedades que lo definen y esto ocasiona que la producción al igual que el consumo para realizar estructuras este en auge [CITATION Par181 \t \l 3082 ]. El acero estructural dentro de la arquitectura contemporánea se integra favorablemente al proyecto arquitectónico, es protagonista y aporta estética singular; es racional, versátil, sustentable y considerado un aleado en la infraestructura. Este material se encuentra en distintos tipos de acuerdo a las normas en las que se rige los que hablaremos en este documento son: el acero estructural de ASTM A36 y el de la norma ASTM A572. A36 El acero A36 es uno de los aceros estructurales de carbono más utilizados, un ejemplo es en la fabricación de estructuras de acero soldadas y atornilladas para la construcción industrial y civil, de igual manera en la construcción de puentes y en la fabricación de artículos y piezas para usos generales del sector de la construcción, su nombre se da a causa de que cumple con los requisitos de las normas ASTM A36, el contenido de carbono que posee este acero es de un máximo de 0,29%, es considerado acero suave, se lo denomina a aquellos que su contenido de carbono es ≤ 0.25 % . El acero A36 suele ser comparado con AISI 1018 ya que su composición química es similar, sin embargo, el acero A36 principalmente es laminado al caliente, mientras que el acero 1018 es laminado en frío [ CITATION Mat21 \l 3082 ]. Las características que lo definen es buena soldabilidad y que la mayoría de las veces el acero es laminado en caliente, después de ese proceso atraviesa otro en el que lo obtenemos en acero cuadrado, acero redondo, acero rectangular, placa de acero y se hace en todas las secciones de acero, como vigas I, H; canal U, tubo y ángulo de acero, entre otros. Dentro de la ficha técnica 1 se describe su composición química, propiedades mecánicas y físicas [ CITATION Mat21 \l 3082 ]. Composición Química 8

En la Tabla 2 encontraremos la composición química para formas, en la Tabla3 la composición química para placas de acero, y en la Tabla4 la ...