Acero: Tenacidad.

La tenacidad se define como la energía requerida para que se presente la falla del metal por fractura. Una fractura frágil requiere una energía menor, en tanto que una fractura dúctil requiere una energía apreciablemente mayor, en este último caso la energía es consumida durante la deformación plástica hasta lograr la separación de átomos a lo largo de la fractura. En cualquier caso la cantidad de energía requerida para lograr la falla por unidad de volumen es igual al área bajo la curva esfuerzo-deformación. La Figura 11.7 muestra esquemáticamente los casos de falla frágil y dúctil, así como las energías representadas por las áreas bajo las curvas en los dos casos.

Acero: Dureza.

Esta propiedad de los metales ferrosos y no ferroso, se verifica por medio de pruebas de penetración ya sea con puntas en forma de diamante o con balines de alta resistencia sobre la superficie del material por ensayar.

Entre más profunda es la penetración, más suave o menos reistente será el metal. Este tipo de prueba se considera como una prueba no destructiva ya que en un  área  muy  pequeña  se  evalúa  la  resistencia  del  material  sin  causarle  ningún  daño.  La penetración lograda se puede correlacionar con parámetros del metal, como la resistencia a la tensión y otros, de tal manera que resulta muy práctico ahorrarse el costo y la dificultad de una prueba de tensión o de algún otro tipo una vez que se cuenta con una correlación confiable.
Existen dos pruebas de penetración normalizadas por la ASTM, la prueba Brinell que se realiza según la norma ASTM E-10, y la prueba Rockwell con designación ASTM E-8. La prueba Brinell emplea un balín de 10 mm de diámetro y puede proporcionar cargas de 500, 1500 y 3000 Kg (usualmente la estándar), una vez hecha la penetración, se calcula el área de la huella y se divide la carga entre el área para encontrar el número de dureza Brinell. La prueba de Rockwell permite emplear cuatro balines de diferentes diámetros y una punta en forma de diamante, las cargas que se pueden aplicar son: 15, 30, 45, 60, 100 y 150 kg. En la prueba

Rockwell se mide la profundidad de penetración y luego se convierte al número de dureza, simplemente restándole a un valor estándar la profundidad de penetración. Ambas pruebas presentan la desventaja de que el material se evalúa sólo en la superficie y en un área muy pequeña.

Acero: Ductilidad.

Como se puede observar en la Figura 11.5, una vez que se alcanza el límite de fluencia se presenta una reducción progresiva de la sección transversal del espécimen como consecuencia del alargamiento  del  mismo  hasta  alcanzar  la  ruptura,  estos  dos  hechos  se  interpretan  como  la ductilidad que posee el material. A medida que en los aceros se detecte un aproximamiento del límite  de  fluencia  con  el  límite  de  ruptura  (en  la  figura  C  se  acercaría  a  A)  la  ductilidad disminuye. En la metalurgia se pueden lograr aceros con alta capacidad a la tensión pero poca ductilidad, basta con aumentar el contenido de carbono o con alear al acero con otros metales.

En la ingeniería civil se acostumbra diseñar estructuras tanto metálicas como de concreto reforzado para que se comporten de una manera dúctil antes de que un incremento excesivo en las cargas les provoquen la falla. Este comportamiento dúctil da como señal inequívoca de peligro, deflexiones y deformaciones visibles a simple vista, de tal manera que el usuario puede desalojar la estructura antes de que se presente el colapso total. Lo anterior no significa que un acero de alta resistencia pueda ser malo, sino que el diseñador debe considerar cuidadosamente que influencia tendrá  la  baja  ductilidad  en  el  comportamiento  de  la  estructura  una  vez  que  se  exceda  la capacidad de carga de diseño.

El fenómeno de ductilidad en los metales es bastante complejo, al parecer esto se logra cuando la intensidad de la carga provoca que algunos átomos de la estructura atómica (lattice) se deslicen con respecto a otros. El fenómeno de ductilidad se relaciona estrechamente con la dislocación de los átomos de la estructura atómica del material, en el acero, como ya se ha mencionado, se tiene una estructura bcc, ésta estructura no es la más compacta, por eso en su estado  puro  presenta  una  gran  cantidad  de  grados  de  libertad  para  alojar  fenómenos  de dislocación  muy  variados,  la  Figura  11.6  muestra  esquemáticamente  y  de  manera  muy simplificada una secuencia de dislocación por cortante.

 Figura 11.6. Fenómeno de Dislocación Cristalográfica.

Existen otros metales que presentan una estructura atómica más compacta que el acero, como el magnesio, el zinc, el cadmio, el cobalto y el titanio, que poseen una estructura hexagonal fuertemente compacta (close packed hexagonal structure, hcp). Estos metales presentan menos grados de libertad para aceptar dislocaciones,  esto se refleja en su gran estabilidad y resistencia, de hecho son metales que combinados con el acero le dan a éste una gran capacidad de carga, aunque a costa de una menor ductilidad.

Resistencia a la Tensión del Acero (Especificaciones para Aceros Estructurales).

Las propiedades mecánicas del acero dependen de la composición química del metal, aunque existe una gran cantidad de aceros, no todos ellos son de uso común en la construcción. La Tabla 11.1 presenta algunos aceros que se emplean en la industria incluyendo el acero de uso estructural.

Tabla 11.1. Diversos Tipos de Acero Según su Contenido de Carbono.

En México son de uso común los siguientes aceros: ASTM A-7 y ASTM A-572 grado 50. Como se observará a continuación, las especificaciones ASTM no señalan un contenido específico en el contenido de carbono u otra sustancia, sin embargo estos aceros deben cumplir con los requisitos enunciados en la Tabla 11.2.

Los valores presentados en la tabla se pueden interpretar fácilmente con ayuda de una gráfica esfuerzo-deformación obtenida  de  una  prueba de tensión, la  Figura  11.5  muestra esquemáticamente las diversas etapas involucradas en el ensaye. La curva muestra una zona elástica denotada por el segmento OA, la pendiente del segmento elástico define el módulo de elasticidad (E) del acero (esfuerzos proporcionales a las deformaciones). El final de la zona elástica denotada por el punto A, se conoce como esfuerzo de fluencia (límite de fluencia), a partir de este límite el acero se deforma permanentemente produciéndose durante la prueba una reducción de sección transversal del espécimen de prueba hasta alcanzar su resistencia máxima, la cual se denota por el punto B, este valor es de poca importancia desde el punto de vista estructural. Al proseguir la prueba, dentro de la zona BC se produce una estrangulamiento de la sección transversal, hasta que el material alcanza su esfuerzo de ruptura, denotado en la curva por el punto C.

Tabla 11.2. Especificaciones para Aceros Estructurales de Uso Común en México.

La prueba típica mediante la cual se obtiene la información anterior emplea un espécimen de 1.27 cm (0.5 pulgadas) en diámetro, perfectamente torneado para presentar una superficie lisa y de sección constante. El espécimen se acostumbra maquinar con la longitud adecuada para alojar las marcas iniciales ya sea de 2” o de 8” según sea el caso, los extremos del espécimen pueden ser roscados para afianzarlos mediante un dispositivo adecuado a la máquina universal (ASTM E-8) o simplemente puede ser sujetado con mordazas. Una vez colocado el espécimen se procede a cargarlo incrementando la carga hasta la falla, conforme la prueba prosigue se registra la carga y la deformación producida, para esto último se puede emplear un extensómetro especial que resista la falla del espécimen y así proporcionar la información completa. Tanto los esfuerzos como  las  deformaciones  unitarias  se  evalúan  a  intervalos  regulares.  El  esfuerzo  se  calcula simplemente dividiendo la carga entre el área, y la deformación unitaria se obtiene dividiendo el incremento de
deformación entre la longitud inicial marcada, ya sea 2 u 8 pulgadas.

Figura 11.5. Curva típica Esfuerzo- Deformación de un Acero Estructural.

Propiedades Mecánicas del Acero.

Acero: Temperatura de Transición.

Módulo de Corte o de Rigidez Transversal del Acero.

Acero: Tenacidad.

Acero: Dureza.

Acero: Ductilidad.

Resistencia a la Tensión del Acero (Especificaciones para Aceros Estructurales).

Estructura del Acero.

Conforme el acero obtenido del proceso de refinamiento se va enfriando, sus átomos se arreglan dé tal manera que de acuerdo a la temperatura toman una posición que obedece a la ley de la menor energía de cristalización. Esto ocurre de tal forma que si se considerara al metal fundido en un recipiente, pasaría lentamente del estado líquido al sólido, en esta secuencia el material se enfría primero en las esquinas, luego en los bordes y posteriormente en el interior, los átomos se entrelazan unos con otros formando una estructura dendrítica como la que se muestra esquemáticamente en la Figura 11.2.

Figura 11.2. Esquema Microscópico de solidificación del acero.

La estructura policristalina que se observa en la figura anterior revela que los granos del material sólido varían entre sí, y en cada grano los átomos se arreglan de forma regular en una estructura conocida como estructura atómica. Para el acero existen dos estructuras principales, la estructura cúbica centrada en la cara (face centred cubic structure, fcc) y la estructura cúbica centrada en el cuerpo (body centred cubic structure, bcc).

La Figura 11.3 muestra las dos estructuras, donde los átomos se simbolizan por puntos o bolas. En el caso del acero, la estructura atómica fcc se produce arriba de los 910 °C, y la bcc se produce abajo de los 910 °C, estos cambios son fundamentales en la tecnología metalúrgica del acero. Estas estructuras no son las más densas que puede tener un metal, existe la estructura hexagonal compacta (close packed hexagonal structure, hcp), que caracteriza al magnesio, zinc, cobalto y titanio, sin embargo la estructura  del  acero  es  lo suficientemente  fuerte  para  resolver  un  sinfín  de  problemas estructurales.

Figura 11.3. Fases de Estructura Atómica del Acero.

Arriba, Estructura Cúbica Centrada en la Cara (fcc). Abajo, Estructura Cúbica Centrada en el Rara vez se emplea a los metales en su estado puro, generalmente se les alea con otros. La aleación se basa en la disolución del metal base con la aleación, durante la aleación, algunos átomos del metal base pueden ser sustituidos por los de la aleación,   o algunos átomos de la aleación pueden ocupar espacios intersticiales entre los átomos del metal base, La Figura 11.4 muestra como encajan los átomos de materiales como el carbono o el nitrógeno con átomos Cuerpo (bcc). mayores.

Figura 11.4. Aleación Intersticial de átomos de Carbono o Nitrógeno.

Producción del Acero.

La producción del acero consiste en una depuración de la cantidad de carbono contenida en el hierro de bajo grado, esto se logra con una nueva fundición, logrando por medio de procesos de oxidación controlada, bajar el contenido de carbono a cerca del 0.2 %. Las consideraciones teóricas para llevar esto a cabo son complejas e involucran a la térmica y a la química, pero si supusiéramos que el hierro de bajo grado se representa por Fe3C (carburo de fierro), la pérdida de carbono se puede representar por:

Fe3 C + O ↔ Fe + CO 

En la expresión anterior el monóxido de carbono se pierde en la atmósfera, el proceso de refinamiento se aplica tantas veces como sea necesario, en la actualidad el proceso aún no se mejora, pero en el futuro seguramente se hará, y de una misma hornada se podrá obtener tanto acero como hierro.

El  acero  obtenido  de  las  etapas  de  refinamiento  guarda  aún  algunas  impurezas,  sin embargo ya se le puede emplear en la construcción gracias a su resistencia a la corrosión, su ductilidad y su facilidad para darle forma.

Los Metales Ferrosos en la Construcción.

Al hierro y al acero se les considera como metales ferrosos por ser materiales derivados del procesamiento industrial de los minerales de fierro. Estos materiales, de los cuales el acero cobra especial importancia por ser el de mayor uso en la construcción, se consideran como muy homogéneos debido a su riguroso control de producción, esto permite determinar sus propiedades mecánicas con mucha confianza, otros materiales como la madera y el concreto generalmente presentan una mayor dispersión en sus propiedades.

El hierro prácticamente no se emplea para edificar estructuras, ya que su composición química (alto contenido de carbono e impurezas) lo hace muy resistente a la compresión pero poco  dúctil,  por  el  contrario,  el  acero  al  combinar  resistencia  y  ductilidad  permite  crear estructuras que se deformen antes de fallar, lo cual permite salvar la vida de los usuarios. Cada vez se hace un uso más extensivo del acero, especialmente en zonas sísmicas donde se requieren grandes factores de seguridad en las estructuras, esto se logra gracias a la gran rigidez que se puede lograr con este material. Otra de las grandes ventajas del acero es que se pueden fabricar de antemano todo tipo de formas geométricas que después se ensamblan en el lugar de la obra a base de soldadura o de remaches. Desafortunadamente el material requiere de cuidados en su manejo especialmente a la hora del ensamble y  también requiere de protección adecuada contra su enemigo número uno, la corrosión.

Inhibidores de Corrosión del Acero.

Los aditivos inhibidores de corrosión son productos químicos a base de nitrito de calcio, que se adicionan al concreto en el momento de la dosificación, y que interactúa con el acero de refuerzo embebido en el concreto para contrarrestar el efecto de las sales que pueden acelerar la corrosión del acero. Este tipo de aditivo se recomienda para todo tipo de concreto postensado o preesforzado. Algunos de estos aditivos se presentan en estado líquido, diluidos en agua, por lo que se debe ajustar la cantidad de agua de mezcla considerando que el aditivo contribuirá con algo. Las dosis del aditivo dependen del fabricante, pero se han empleado de 10 a 30 litros por metro cúbico de concreto.

Concreto Reforzado con Fibras de Acero.

El concreto reforzado con fibras de acero las cuales se adicionan en el momento del mezclado presenta una serie de ventajas con respecto al concreto simple, algunas de estas ventajas se enlistan a continuación:

1. ventajas económicas:

 

-Eliminación de mallas electrosoldadas o armado de varillas (pisos industriales, aeropistas, pavimentos, cubiertas de puentes, piezas prefabricadas ...).

-Reducción del espesor de concreto (pavimentos y cubiertas).

-Disminución del número de juntas (pavimentos y cubiertas).

-Disminución de gastos de mantenimiento (todo tipo de superficies sometidas a fuerzas abrasivas).

-Menor costo de almacenamiento (requiere espacios reducidos)

-Mano de obra no especializada (bajo costo).

-Refuerzo uniforme sin importar el tipo de sección.

-Disminución del riesgo de fracturas en él desmolde (piezas prefabricadas, tubos de concreto).

-Disminución del costo de colocación (especialmente en el concreto lanzado se coloca al mismo tiempo el refuerzo).

-Aumenta  el  tiempo  de  servicio  (mayor  vida  útil  en  todo  tipo  de  concreto, especialmente en concreto refractario).

2. Ventajas técnicas:

-Disminuye la propagación de microfisuras (todo tipo de obra).

-Proporciona una resistencia mayor al impacto y a las cargas estáticas y dinámicas

(pisos industriales y pavimentos en general, tuberías).

-Proporciona una mayor resistencia a la flexión (todo tipo de obra, relevante en pavimentos y cubiertas).

-Gran capacidad de deformación (piezas prefabricadas, tubos).

 

-Aumento drástico de la resistencia a choques térmicos y mecánicos (concreto refractario).

-Resistencia a la corrosión cuando la fibra es de acero inoxidable (todo tipo de obra en contacto con el agua, tubería, canales, pilotes ... ).

-gran uniformidad en la adherencia fibra-concreto en el concreto lanzado (cuando el concreto se lanza contra mallas de acero se crean bolsas detraes de las mallas)

Como se puede apreciar las fibras de acero pueden emplearse en una gran variedad de obras de concreto, incluyendo el concreto lanzado, en todos los casos se debe proporcionar la mezcla más adecuada para evitar que la adición de las fibras pueda representar una baja en la ligeramente torcidas en los extremos, las hay en diversos grosores y longitudes (la relación largo a diámetro. L/D, se conoce como relación de esbeltez). 

Generalmente el fabricante recomienda las cantidades  a  emplear  por  cada  metro  cúbico  de  concreto, éstas  cantidades  son  útiles  para posteriores refinamientos según el caso. El Comité ACI 544 establece que el concreto reforzado con  fibras  de  acero  se  especifica  usualmente  por  su  resistencia  y  su  contenido de  fibras. Normalmente  en  las  obras  de  pavimentación  se  especifica  la  resistencia  a  la  flexión,  y  en aplicaciones estructurales se especifica la resistencia a la compresión.