Acero Aleación de hierro y carbono principalmente, donde el carbono no supera el 2% en peso de la composición de la aleación, alcanzando normalmente porcentajes entre el 0,2% y el 0,8%. Porcentajes mayores que el 2% de carbono dan lugar a las fundiciones. Características Mecánicas del 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 o a los métodos de endurecimiento por acritud, con los que pueden conseguirse aceros con combinaciones de características adecuadas para infinidad de aplicaciones, se pueden citar algunas características genéricas:
Densidad Media: 7850 kg/m3
Comportamiento respecto a la Temperatura: se puede contraer, dilatar o fundir.
Punto de Fusión: depende del tipo de aleación, pero al ser su componente principal el hierro éste anda alrededor de los 1510 ºC. Sin embargo los aceros aleados presentan frecuentemente temperaturas de fusión de alrededor de 1375 ºC.
Punto de Ebullición: alrededor de los 3000 ºC.
Es muy tenaz
Es Dúctil: esta propiedad permite obtener alambres
Es Maleable: es posible deformarlo hasta obtener láminas
Es fácil de mecanizar: para un posterior tratamiento térmico
Fácilmente soldable
Dureza variable según el tipo de elementos de aleación
Templable o endurecible por tratamientos térmicos.
La Corrosión: es la mayor desventaja de los aceros, ya que el acero 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. Además de con elementos de aleación, prueba de ello son los aceros inoxidables. Alta Conductividad Térmica y Eléctrica.
Las propiedades ingenieriles o mecánicas Las propiedades ingenieriles o mecánicas del acero estructural son importantes para ingenieros y arquitectos, especialmente cuando el material se usa en construcción. Los aceros estructurales están comúnmente sujetos a cargas, cambios de temperatura y otras condiciones que pueden deformar el material, por lo tanto, los ingenieros deben conocer las propiedades mecánicas y en qué punto el material ya no es funcional. Punto de fluencia El punto de fluencia mide la fuerza mínima que crea una deformación permanente en el acero estructural. Como esta medida es bastante fácil de determinar, el punto de fluencia es un parámetro común observado en las especificaciones del acero estructural. El punto de fluencia se prueba determinando la forma de la recta de fluencia. Cuando ocurre la deformación permanente, esto significa que la estructura atómica y cristalina del acero ha cambiado. La medida se puede arrojar sobre un diagrama de deformación-carga que muestre la intersección de la curva correspondiente con la línea de fluencia. Un valor normal para el acero estructural es del 0,2%. Resistencia a la tracción La resistencia a la tracción mide cuánto estiramiento o tracción longitudinal puede soportar una pieza de acero estructural antes de romperse o deformarse permanentemente. Esta deformación permanente se conoce como punto de fractura. El valor se determina dividiendo el área o sección transversal del acero estructural por la cantidad de carga aplicada al material. La unidad de medida se expresa en libras por pulgada cuadrada o kilogramos por centímetro cuadrado. El acero estructural tiene una alta resistencia a la tracción cuando se lo compara con otros materiales como el hormigón, de modo que resulta en un excelente material para construcción. La resistencia a la tracción del acero estructural también es una de las propiedades medidas con mayor frecuencia. Límite elástico El límite elástico mide la máxima deformación del material estructural antes de ser destruido o incapacitado de usar de forma práctica, sin recobrar su posición funcional. Este límite se mide en el punto de deformación. Para que un material estructural pase la prueba elástica, cualquier deformación permantente que resulte de la aplicación de una carga, debe hacer que el material sea aún funcional para el uso al que está destinado. Si una pieza de acero estructural es dañada más allá de su límite elástico, incluso si no muestra signos de destrucción, puede aún tener un daño permanente oculto que comprometa la integridad del material. La unidad de medida de esta propiedad mecánica se conoce como módulo de elasticidad de Young, en honor a Thomas Young, un científico británico del siglo XIX, y se expresa en libras por pulgada cuadrada o kilogramos por centímetro cuadrado.
CARACTERÍSTICAS MECÁNICAS.
•Ductilidad, es la elongación que sufre la barra cuando se carga sin llegar a la rotura. Las especificaciones estipulan que el estiramiento total hasta la falla, no sea menor que cierto porcentaje mínimo (tabla 5.3) que varía con el tamaño y grado de la propia barra (apartado 5.7.1). •Dureza se define como la propiedad del acero a oponerse a la penetración de otro material (apartado 5.7.2). •Resistencia a la tensión, Es la máxima fuerza de tracción que soporta la barra, cuando se inicia la rotura, dividida por el área de sección inicial de la barra. Se denomina también, más precisamente, carga unitaria máxima a tracción. Limite de fluencia, fy.- Es la tensión a partir de la cual el material pasa a sufrir deformaciones permanentes, es decir, hasta este valor de tensión, si interrumpimos el traccionamiento de la muestra, ella volverá a su tamaño inicial, sin presentar ningún tipo de deformación permanente, esta se llama deformación elastica. El ingeniero utiliza el limite de fluencia de la barra para calcular la dimensión de la estructura, pues la barra soporta cargas y sobrecargas hasta este punto y vuelve a su condición inicial sin deformación. Pasado este punto, la estructura esta fragilizada y comprometida. En general, en el caso de los aceros de dureza natural, el límite de fluencia coincide con el valor aparente de la tensión correspondiente al escalón de cedencia. En los casos en que no aparece este escalón o aparece poco definido, como suele ocurrir con los aceros estirados en frío, es necesario recurrir al valor convencional establecido en las prescripciones, como se explica mas abajo, para aceros de resistencia mayor a 4200 Kg/cm2 Las barras con resistencias hasta 2800 Kg/cm2 presentan una curva elasto-plástica, como se ve en la figura 5.10 a), entonces fy se identifica con claridad. Para aceros de resistencias mayores, hasta 4200 Kg/cm2, la curva esfuerzo-deformación unitaria puede ser elasto-plastica o no, dependiendo de las propiedades del acero y del procesos de fabricación. Para aceros de resistencias mayores a 4200 Kg/cm2, donde el grado de fluencia no está definido, el código ACI especifica que el esfuerzo de fluencia, fy, debe determinarse como el esfuerzo que corresponde a una deformación de 0.0035 cm/cm, tal como se muestra en la Probablemente, la resistencia en el punto de fluencia, es decir, el esfuerzo elástico máximo que puede soportar la barra, es la propiedad mecánica más importante para el diseñador. La resistencia a la tensión se controla por un límite sobre la resistencia en el punto de fluencia y esta no puede ser menor que 1.25 veces la resistencia real en el punto de fluencia.
Si bien la tendencia actual, en la construcción con hormigón reforzado, es hacia el uso de barras de refuerzo con grado de resistencia más elevado, dado que el uso de estas conduce a una reducción significativa del tonelaje de acero y del tamaño de los miembros estructurales de hormigón, lo que da por resultado economía en la mano de obra y en otros materiales, se tiene un límite practico sobre cuan fuerte debe ser el acero de refuerzo utilizado en una construcción estándar de Hormigón armado: Todas las resistencias del acero tienen aproximadamente la misma elongación para el mismo esfuerzo de tensión aplicado (mismo modulo de elasticidad Es=2.1*106 Kg/cm2). Si un acero tiene una resistencia en el punto de fluencia que es el doble de la de otro, puede aplicarse el doble de deformación permanente, esta se llama deformación elastica. El ingeniero utiliza el limite de fluencia de la barra para calcular la dimensión de la estructura, pues la barra soporta cargas y sobrecargas hasta este punto y vuelve a su condición inicial sin deformación. Pasado este punto, la estructura esta fragilizada y comprometida. En general, en el caso de los aceros de dureza natural, el límite de fluencia coincide con el valor aparente de la tensión correspondiente al escalón de cedencia (figura 5.10 a). En los casos en que no aparece este escalón o aparece poco definido, como suele ocurrir con los aceros estirados en frío, es necesario recurrir al valor convencional establecido en las prescripciones, como se explica mas abajo, para aceros de resistencia mayor a 4200 Kg/cm2.
Las barras con resistencias hasta 2800 Kg/cm2 presentan una curva elasto-plástica, como se ve en la figura 5.10 a), entonces fy se identifica con claridad. Para aceros de resistencias mayores, hasta 4200 Kg/cm2, la curva esfuerzo-deformación unitaria puede ser elasto-plastica o no, dependiendo de las propiedades del acero y del procesos de fabricación. Para aceros de resistencias mayores a 4200 Kg/cm2, donde el grado de fluencia no está definido, el código ACI especifica que el esfuerzo de fluencia, fy, debe determinarse como el esfuerzo que corresponde a una deformación de 0.0035 cm/cm, tal como se muestra en la figura 5.11. Probablemente, la resistencia en el punto de fluencia, es decir, el esfuerzo elástico máximo que puede soportar la barra, es la propiedad mecánica más importante para el diseñador. La resistencia a la tensión se controla por un límite sobre la resistencia en el punto de fluencia y esta no puede ser menor que 1.25 veces la resistencia real en el punto de fluencia. Si bien la tendencia actual, en la construcción con hormigón reforzado, es hacia el uso de barras de refuerzo con grado de resistencia más elevado, dado que el uso de estas conduce a una reducción significativa del tonelaje de acero y del tamaño de los miembros estructurales de hormigón, lo que da por resultado economía en la mano de obra y en otros materiales, se tiene un limite practico sobre cuan fuerte debe ser el acero de
refuerzo utilizado en una construcción estándar de Hormigón armado: Todas las resistencias del acero tienen aproximadamente la misma elongación para el mismo esfuerzo de tensión aplicado (mismo modulo de elasticidad Es=2.1*106 Kg/cm2). Si un acero tiene una resistencia en el punto de fluencia que es el doble de la de otro, puede aplicarse el doble de esfuerzo, pero se obtendrá el doble de elongación. Con cargas moderadas, el refuerzo de acero se estirará casi lo mismo que lo que puede estirarse el hormigón que lo rodea sin agrietarse severamente; si se aplica más carga, el acero puede soportar la carga con seguridad, pero el hormigón que lo cubre se agrietará. Esto no sólo da mal aspecto sino que, en general, permitirá la corrosión del refuerzo.
FIGURA 5.10 Laminados en
a) Diagrama Esfuerzo Deformación para Aceros de Dureza Natural
Caliente; b) curvas típicas esfuerzo-deformación unitarias para barras de refuerzo Nota: Las curvas están indicadas según su límite de fluencia
FIGURA 5.11 4200 kg/cm2
Diagrama Esfuerzo Deformación para Aceros de resistencia mayor a
En general, no se puede usar la mayor resistencia de los aceros con resistencias en el punto de fluencia de 4200 Kg/cm2, como refuerzo estándar a la tracción, sin causar el agrietamiento del hormigón, a menos que se tomen disposiciones especiales en el diseño del miembro. •Maleabilidad, es la capacidad que presenta el acero de soportar la deformación, sin romperse, al ser sometido a un esfuerzo de compresión. •Tenacidad, viene siendo la conjugación de dos propiedades: ductilidad y resistencia. Un material tenaz será aquel que posee una buena ductilidad y una buena resistencia al mismo tiempo. •Fatiga, cuando un elemento estructural se somete a cargas cíclicas, este puede fallar debido a las grietas que se forman y propagan, en especial cuando se presentan inversiones de esfuerzos, esto es conocido como falla por fatiga, que puede ocurrir con esfuerzos menores a la carga de deformación remanente. Limite de fatiga. Se evalúa en un diagrama Esfuerzo máximo (resistencia ala fatiga) vs. el número de ciclos hasta la falla, estos diagramas indican que la resistencia a la fatiga, de un acero estructural, decrece con un aumento de número de ciclos, hasta que se alcanza un valor mínimo que es el Limite de Fatiga. Con la tracción considerada como positiva y la compresión negativa, las pruebas también demuestran que a medida que disminuye la relación entre el esfuerzo máximo y el mínimo, se reduce de modo considerable la resistencia al a fatiga. Las pruebas indican además que los aceros con resistencia a la tracción semejante tienen casi la misma resistencia a la fatiga. Estas propiedades se determinan mediante la realización de diferentes pruebas o ensayos, para determinar qué material es el que emplearemos para el fin que le queramos dar. En la tabla 5.3 se dan algunas características mecánicas para diferentes grados y clases de aceros.
