Tema 3: Materiales metálicos siderúrgicos.

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Tema 3: Materiales metálicos siderúrgicos.

1. Materiales metálicos siderúrgicos y aleaciones.

2. Aceros y fundiciones: el sistema hierro-carbono.

3. Tipos de aceros.

4. Tratamientos térmicos de los aceros.

5. Fabricación y conformación de productos de acero.

6. Protección de los aceros (ambiente y fuego)

MATERIALES II

Curso 2018-2019. Ciencia y Tecnología de la Edificación. C. Guadalajara Profesor Ana M.ª Marín Palma

Materiales metálicos

• Son materiales sólidos policristalinos (cristales metálicos) compuestos por elementos metálicos (enlace metálico)

• Se obtienen por procesado de minerales que contienen compuestos metálicos (óxidos, carbonatos, sulfuros, …)

• La metalurgia trata las operaciones necesarias para separar los metales (mena) de las impurezas (ganga).

• Las aleaciones son mezclas de metales (o en las que predominan los metales) que forman sistema (materiales polifásicos).

• Aleaciones utilizadas en construcción: ferrosas: aceros y fundiciones; no ferrosas: bronce (cobre y estaño), latón (cobre y cinc).

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El sistema hierro-carbono

• La obtención del hierro se realiza por reducción del óxido de hierro con carbón en un alto horno (arrabio).

• El arrabio se oxida para disminuir el contenido de carbono (refinado) y otras impurezas (azufre y fósforo).

• Una parte del carbono restante se combina con el hierro (cementita) y otra se disuelve (ferrita y austenita).

• El contenido de cada fase depende de la composición y velocidad de enfriamiento del material.

• Se representa mediante un Diagrama de fases.

Fabricación del acero

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Productos siderúrgicos. Acero y fundición

• Siderurgia: rama de la metalurgia que trata el procesado de los compuestos de hierro.

• El acero y la fundición son aleaciones siderúrgicas del hierro y carbono.

• Tres materiales de hierro con distintas características, comportamiento y utilizaciones:

• Hierro: metal blando y maleable. Se puede forjar, no se templa. Muy fácilmente oxidable.

• Acero: metal dúctil y maleable. Grandes resistencias mecánicas. Se puede forjar y templar. Fácilmente oxidable.

• Fundición: ni dúctil ni maleable. De gran dureza que se quiebra al forjarlo. No se puede templar. No oxidable.

• Se diferencian en el contenido de carbono:

• Fundiciones: contenido de carbono > 2 %.

• Aceros: contenido de carbono < 2 %.

• Efectos del carbono → a medida que aumenta el contenido de carbono, aumentan la dureza, la resistencia mecánica, la resistencia a la oxidación y corrosión.

Fundición

• Son aleaciones siderúrgicas con un contenido en carbono del 2-7 %.

Propiedades.

• Siempre presentará carbono libre (no combinado en la aleación), en forma de grafito.

• Gran dureza y resistencia mecánica.

• Muy frágil. No se puede forjar. No se puede soldar. No se templa. No es dúctil.

No es maleable → excepto si se produce una descarburación.

• Resistencia a tracción muy inferior a la de compresión.

• Gran capacidad de amortiguación de vibraciones (si abunda el grafito).

• Gran resistencia al roce (efecto autolubricante del grafito).

• Muy resistente a la oxidación y corrosión.

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Clasificación de las fundiciones

Según el contenido de carbono y los tratamientos térmicos se distinguen:

• Fundiciones comunes o no aleadas. Contiene C como elemento de aleación, contenidos muy bajos de otros elementos (Fe, S, P, Mn).

Ej. :

• Fundiciones aleadas. Con contenido significativo de un elemento distinto del C, como el Si (ferrosilicio), Mn (ferromanganeso), Ni, Cr.

• Fundición Blanca. El C se presenta todo o casi todo combinado en forma de carburo de hierro (Fe

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C: cementita). Muy dura y muy frágil. No moldeable. Se contrae al solidificar.

• Fundición Gris. El C se presenta en forma de grafito laminar. La más utilizada. Menos frágil y menos dura que la blanca. Fácil de mecanizar.

Puede tornearse y trabajarse fácilmente a lima. Buena para moldeo. Se dilata al solidificar.

• Otras fundiciones: Maleable, de Grafito Esferoidal, de Grafito Compacto.

• Mobiliario urbano: farolas, postes, bancos, papeleras, fuentes, alcorques, vallas, balaustres, sumideros, tapas de alcantarilla, bocas de riego.

• Tubos para las redes de evacuación y saneamiento, con sus piezas especiales.

• Elementos para calefacción: radiadores, calderas, estufas.

• Aparatos sanitarios: bañeras, platos de ducha.

Formas comerciales y utilización

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• Aleaciones siderúrgicas (materiales polifásicos) con un contenido en carbono inferior al 2 %, que pueden contener además otros elementos.

• Sus propiedades físicas y mecánicas dependen de su composición y de los tratamientos aplicados durante el procesado.

• La composición afecta a las fases que contiene y a los defectos puntuales de su microestructura.

• Los tratamientos pueden ser de tipo térmico o mecánico (conformación de producto a alta o baja temperatura).

• Afectan a la microestructura, las fases presentes, los defectos lineales y superficiales, etc.

• Clasificación:

Acero

• Aceros No Aleados: comunes y especiales.

• Aceros Aleados: comunes y especiales.

Tipos de acero en construcción

Estructura metálica:

• Aceros no aleados para la obtención de:

• perfiles laminados en caliente,

• perfiles huecos acabados en caliente y

• perfiles conformados en frío empleados en las estructuras de acero.

• Aceros aleados para:

• productos planos laminados en caliente o en frío.

CTE DB SE-A EAE

Estructuras de hormigón:

• Aceros no aleados para la elaboración de:

• armaduras pasivas: barras y alambres de acero corrugado o grafilado y alambres lisos.

• Aceros no aleados especiales:

• aceros para armaduras de pretensado.

EHE 08

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• El acero inoxidable contiene en su composición > 11,5 % de cromo, < 1,2% de carbono y otros componentes de aleación → se forma en la superficie una capa de óxido compacta e impermeable → protección de la oxidación y corrosión.

• “Acero inoxidable” es un término genérico (30 tipos de acero, con más de 60 variantes) → siendo común: su resistencia a la corrosión atmosférica, a los ácidos y álcalis y a la oxidación a temperaturas elevadas.

• Características: elevada resistencia a tracción, gran ductilidad, mala conductividad eléctrica y térmica. Pueden soldarse (distintos procedimientos).

• Recubrimientos: pulido, depósito electrolítico, ataque anódico, recubrimiento con porcelana esmaltada, diversas tonalidades de pasivado.

Aceros inoxidables

Clases:

• Austeníticos: contiene cromo-níquel (18-8). El Ni aumenta la resistencia a la corrosión. Elevada ductilidad. Los más utilizados.

• Ferríticos: contiene cromo (18-30%). Niquel no. Alta resistencia a la corrosión y oxidación. Con bajo contenido de Cr: soldables, resistentes, duros, menos resistentes corrosión.

• Martensíticos: contienen cromo (12-17%). Algunos contienen níquel. Son templables. Mayor conductividad térmica, resistencia mecánica. Fabricación de piezas mecánicas: válvulas, turbinas.

• Dúplex: resistencia elevada a la corrosión y elevadas características mecánicas.

Aplicaciones:

Algunos son soldables en condiciones controladas. Fachadas ligeras. Cubiertas.

Carpintería metálica. Ventanas, puertas, persianas. Estructuras, escaleras, pasamanos, barandillas. Rejas, claraboyas. Fregaderos. Chimeneas. Calefacción.

Ventilación. Rejas. Herrajes. Aparatos sanitarios de fontanería.

Clases aceros inoxidables

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• Variando el calentamiento/enfriamiento se pueden modificar las propiedades de los aceros al carbono.

• Tipos de tratamientos:

• Recocido: Recalentamiento del acero para reducir las tensiones producidas por el trabajo en frío.

• Normalizado: Calentamiento y enfriamiento al aire para refinar la estructura e incrementar la resistencia.

• Templado: enfriamiento rápido (en agua) del acero en forma austenítica.

Produce martensita que es muy dura.

• Revenido: Calentamiento de un acero templado a bajas temperaturas para hacerlo más blando y dúctil.

Tratamientos térmicos de los aceros

Son las técnicas para obtener productos de acero.

• Trabajo en frío: deformación a baja temperatura.

Produce un desplazamiento de las dislocaciones y el aumento de la resistencia (endurecimiento).

Técnicas: laminado, extrusión, trefilado, plegado.

• Trabajo en caliente: Deformación a temperatura superior a la de recristalización del acero.

Se puede deformar a tensión constante (plastificación).

• Moldeado: se vierte el acero en estado líquido en un molde y se deja enfriar.

Conformación de productos de acero

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Procesos de conformación

Laminación en frío

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Comportamiento

mecánico de los aceros

Endurecimiento por deformación en frío

Deformación elástica (recuperable) Carga

Recarga Descarga

Incremento del límite elástico

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• Los metales pueden sufrir degradación por diferentes fenómenos:

- Oxidación: por combinación con oxígeno.

Se forman costras de óxido metálico que pueden ser impermeables y proteger al metal (cobre) o permeables (herrumbre u orín en el hierro).

- Corrosión: Debida a la exposición de los metales a los agentes ambientales (humedad, CO

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o sales) o a la presencia de otros metales con diferente electronegatividad (pares galvánicos).

- Fuego: Plastificación con la temperatura.

El dióxido de carbono (fórmula química CO 2) Se llama par galvánico al formado por dos partes distintas de una

Durabilidad de metales siderúrgicos

Protección de metales siderúrgicos

Protección contra agentes ambientales:

• Evitando el contacto entre metales diferentes → Interposición de láminas poliméricas o materiales con menor electronegatividad.

• Modificando su composición → hagan innecesaria la aplicación de ninguna protección adicional. Ej.: Acero inoxidable.

• Mediante tratamientos superficiales:

• Recubrimientos electrolíticos (galvanizado).

• Pinturas y lechadas (reposición periódica).

• Pátinas de óxido (Acero cortén).

Protección contra fuego: recubrimientos y pinturas.

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Protección de metales siderúrgicos

Daño

El hierro es catódico con respecto al zinc, por lo que la pieza quedará protegida aunque se produzcan poros o fisuras en la capa protectora, ya que el zinc actuará como “ánodo de sacrificio”, sufriendo la corrosión, que no se producirá en el hierro.

Se emplea en la fabricación de chapas, alambres, utensilios para avicultura, etc.

Acero galvanizado Acero Cortén

Acero inoxidable

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Protección a fuego de acero

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Reacción y Resistencia al fuego

• Reacción al fuego: Es la respuesta de los materiales frente a fuego. Es una característica propia de un material o producto y determina la magnitud relativa con la que puede favorecer el inicio y desarrollo de un incendio.

• No confundir con Resistencia al Fuego.

• Resistencia al fuego: es la característica que corresponde a una solución constructiva, por la cual se determina la capacidad de resistir en el tiempo, a la acción del fuego.

Los cambios en la microestructura reducen la capacidad mecánica.

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Clases de Materiales por su Reacción al fuego

Clasificación: Euroclases

- Incombustible A1, A2

- Combustible, no inflamable B

- Inflamabilidad Baja C

- Inflamabilidad Media D

- Inflamabilidad Alta E

- Sin Clasificar F

- Producción de humos s1, s2, s3

- Caída de gotas d0, d1, d2

Resistencia a fuego

• Determina el tiempo en que un elemento constructivo mantiene sus propiedades frente a la acción de un fuego.

• Clasificación Europea (UNE-EN 13501-2)

-

Aislamiento (I): Capacidad del elemento constructivo de soportar la exposición al fuego en un solo lado, sin que se produzca la transmisión del incendio debido a una transferencia significativa de calor del lado expuesto al no expuesto.

- Capacidad Portante (R): Capacidad del elemento constructivo de soportar, durante un periodo de tiempo, y sin pérdida de la estabilidad estructural, la exposición al fuego en una o más caras, bajo acciones mecánicas definidas.

- Integridad (E): Capacidad de un elementos constructivo con acción separadora, de soportar la exposición solamente en una cara, sin que exista transmisión del fuego a la cara no expuesta debido al paso de llamas o gases calientes que puedan producir la ignición de la superficie no expuesta o de cualquier material adyacente a esa superficie

.

• (Designación + tiempo en minutos en módulos de 15 min)

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(V. P. Silva 2006)