Tema 3: Materiales metálicos siderúrgicos.

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Tema 3: Materiales metálicos siderúrgicos.

1. Materiales metálicos 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 2017-2018. Ciencia y Tecnología de la Edificación. C. Guadalajara

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Estructura de los metales (Temas 1 y 2)

Escala atómica:

• Están compuestos por átomos metálicos, que ceden fácilmente electrones y forman enlaces metálicos.

Escala microestructural:

• Los cristales metálicos perfectos son frágiles.

• La existencia y cantidad de defectos modifican su comportamiento: Las dislocaciones (defectos lineales) aumentan la plasticidad y reducen la resistencia.

Las impurezas y el menor tamaño de grano aumentan la resistencia y la fragilidad.

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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:

Aleaciones ferrosas: Aceros y fundiciones

Aleaciones 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.

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Aceros y fundiciones

• Son aleaciones siderúrgicas de hierro y carbono.

• La Siderurgia es la rama de la metalurgia que trata el procesado de los compuestos de hierro (alotrópico).

• Se diferencian en el contenido de carbono:

Fundiciones: contenido de carbono > 2 %. Aceros: contenido de carbono < 2 %.

• Las fundiciones son fácilmente moldeables en caliente, gran dureza, resistentes y frágiles.

• Los aceros son forjables y conformables, alta resistencia mecánica, ductilidad y tenacidad.

• Tienen que protegerse de la corrosión y el fuego.

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Fundiciones

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

Propiedades.

• El exceso de carbono produce depósitos de grafito, que es un material duro, resistente y frágil.

Clasificación (más importantes):

Fundición gris: presentan el carbono en forma de grafito laminar: la cementita se transforma en

ferrita y grafito. L tipo más corriente de fundición y la más utilizada en elementos de edificación. Son fácilmente mecanizables. Moldeable.

Fundición blanca: el carbono aparece en forma de cementita. Tienen una alta resistencia, dureza

y fragilidad, por lo que son más difíciles de mecanizar.

Aplicaciones en construcción:

• 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.

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Aceros

• Son aleaciones siderúrgicas (materiales polifásicos) con un contenido en carbono inferior al 2 %.

• 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.

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Tipos de aceros en construcción

Los más importantes son:

• Aceros al carbono: Son la mayor parte de los aceros de construcción. Son soldables.

• Aceros aleados: Tienen otros metales aleados que modifican sus propiedades físicas y mecánicas.

Aceros inoxidables: Contienen Cr, Ni u otros elementos en aleación que

aumentan la resistencia a la oxidación.

Aceros patinables (Cortén): Tienen una Pátina de acero aleado

(herrumbre adherente y muy poco porosa) que protege de los procesos de corrosión-oxidación

• Acero galvanizado: Acero recubierto por una capa cristalizada de cinc, que lo protege de la oxidación.

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Acero galvanizado

Acero Cortén

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Aceros inoxidables

• El acero inoxidable contiene como mínimo un 10,5% de cromo, menos del 1,2% de carbono y otros componentes de aleación.

• El cromo le da la resistencia a la corrosión, creando sobre la superficie una capa de óxido de cromo.

Clases. Los más importantes son:

Austeníticos: Contiene niquel (aumenta la resistencia a la corrosión). Elevada ductilidad. Los más

utilizados.

Ferríticos: no contiene níquel. Alta resistencia a la corrosión (según contenido de Cr)

Martensíticos: algunos contienen niquel. Son templables. Mayor conductividad térmica,

resistencia mecánica. Fabricación de piezas mecánicas: válvulas, boas, turbinas

Dúplex: características del acero inoxidable austenítico y de las del acero al carbono. 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.

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Tratamientos térmicos de los aceros

• 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.

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Conformación de productos de acero

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).

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Comportamiento

mecánico de los

aceros

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Endurecimiento por deformación en frío

Deformación elástica (recuperable) Carga

Recarga Descarga

Incremento del límite elástico

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Durabilidad de metales siderúrgicos

• 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, CO₂ o sales) o a la presencia de otros metales con diferente electronegatividad (pares galvánicos).

- Fuego: Plastificación con la temperatura.

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Protección de metales siderúrgicos

•Existen diferentes agentes que pueden afectar a la durabilidad (oxidación + corrosión, fuego).

• Sistemas de protección:

•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 y Cortén.

Mediante tratamientos superficiales:

Recubrimientos electrolíticos (galvanizado) Pinturas y lechadas (reposición periódica) Pátinas de óxido (Acero Cortén)

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Protección de metales siderúrgicos

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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.

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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

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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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