Constructor Civil

lunes, 31 de enero de 2011

Acero: Temperatura de Transición.

A medida que el acero se prueba a temperaturas más bajas, se puede observar un cambio en el comportamiento de falla, este cambio es abrupto en un rango de temperaturas muy estrecho, a dicho rango se le conoce como la temperatura de transición, y es aquí donde la falla pasa de ser una falla dúctil a ser una fractura frágil. Este fenómeno es de suma importancia para el diseñador, ya que no basta con diseñar para una falla dúctil, sino que se debe tomar en cuenta las condiciones climáticas bajo las que trabajará la estructura. Esto quiere decir que el acero se comportará de manera dúctil en el verano pero perderá mucho de su tenacidad o capacidad para absorber energía mediante la deformación en el invierno, todo depende de que tanto baje la temperatura.

La temperatura de transición cobra mucha importancia cuando algún elemento de acero debe ser diseñado para resistir esfuerzos bajo condiciones de impacto, generalmente la temperatura de transición se obtiene mediante pruebas de impacto, sometiendo a las probetas a diferentes condiciones de temperatura antes de ensayarlas. Las pruebas de tensión resultan muy lentas y no permiten apreciar fácilmente la temperatura de transición.

La prueba de impacto se realiza por medio de un Péndulo que por impacto produce la falla de un espécimen con una ranura en forma de v en la parte media, la prueba se ilustra
esquemáticamente en la Figura 11.8.

Figura 11.8. Prueba de Impacto, Una Medida de la Tenacidad.

El rango de temperatura de transición se muestra en la Figura 11.9, donde se aprecia la enorme influencia que la variación de temperatura puede tener en el comportamiento del acero, esto no se presenta en todos los metales, pero en el acero por ser una estructura atómica del tipo bcc los efectos son notables.

Figura 11.9. Concepto de Temperatura de Transición en el Acero.

Módulo de Corte o de Rigidez Transversal del Acero.

Cuando el acero es sometido a fuerzas cortantes donde las fuerzas actuantes son paralelas al área del material, se tiende a producir un dislocamiento lateral de la estructura atómica del material, véase la Figura 11.6, el movimiento lateral de los átomos describe un ángulo de deformación, la tangente de ese ángulo se denomina deformación cortante, y se representa por ?,

Figura 11.7. Tenacidad de un Metal Frágil (izquierda) y de un Metal Dúctil (derecha).

El módulo de corte (G) se obtiene con la expresión

, donde t es el esfuerzo cortante, y Y es la deformación cortante. El módulo de corte se correlaciona con el módulo de elasticidad mediante la siguiente expresión:

Donde v es el módulo de Poisson con valor de 0.29 tanto para el hierro como para el acero.

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.