Tema 9: Materiales metálicos.

Transcripción

1 Tema 9: Materiales metálicos. 1. Estructura y propiedades de los metales. 2. Tipos de materiales metálicos. Aleaciones. 3. Aceros y fundiciones: el sistema hierro-carbono. 4. Fabricación y conformación de productos de acero. 5. Productos de acero para construcción. 6. Normativa y designación de productos de acero 7. Metales no férricos y sus aleaciones. 8. Uniones de metales: la soldadura. 9. Durabilidad y protección de metales. MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN. GRADO EN ARQUITECTURA Curso Escuela Técnica Superior de Arquitectura. Profesor Gonzalo Barluenga Badiola Objetivos Docentes: Conocer los materiales metálicos utilizados en construcción, sus tipos y propiedades, procesos de fabricación. Conocer los procedimientos de unión, normativa, designación y aplicaciones de los materiales metálicos en construcción.

2 Materiales metálicos Son materiales sólidos policristalinos (cristales metálicos) 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). El enlace metálico condiciona sus propiedades. Son densos, isótropos, impermeables y susceptibles de corroerse y oxidarse. Conducen el calor y la electricidad. Presentan defectos cristalinos (impurezas y dislocaciones) y tienen un comportamiento mecánico elasto-plástico. Son dúctiles, tenaces y maleables. Estructura de los metales (Tema 1) 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.

3 Estructura metálica Propiedades de los materiales metálicos Son consecuencia de la estructura cristalina metálica. Isótropos (propiedades iguales en todas direcciones) Densos, oxidables y corrosibles. Insolubles en disolventes polares (agua). Propiedades Físicas Conductores eléctricos Conductores térmicos Incombustibles Alto coeficiente de dilatación Propiedades Mecánicas Dúctiles y maleables Comportamiento elásto-plástico Alta resistencia a compresión y tracción

4 Comportamiento plástico (metales) Orientación de los granos de un metal por tensiones de tracción Descargado Cargado Los granos se orientan en la dirección de la tensión, deformándose. Para que uno se deforme, los adyacentes deben deformarse también. Comportamiento mecánico metales CEDENCIA

5 Aleaciones metálicas Son mezclas de metales (o en las que predominan los metales) que forman sistema (materiales polifásicos). En algunos casos, las aleaciones son soluciones líquidas (temperatura de fusión) que se transforman en dispersiones al enfriarse. La presencia de diferentes fases modifica las propiedades del material. Aleaciones utilizadas en construcción: Aleaciones ferrosas: Aceros y fundiciones Aleaciones no ferrosas: Bronce (cobre y estaño) Latón (cobre y cinc) El sistema hierro-carbono La Siderurgia es la rama de la metalurgia que trata el procesado de los compuestos de hierro (alotrópico). 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 (Tema 2).

6 Aceros y fundiciones Son aleaciones siderúrgicas de hierro y carbono. Se diferencian en el contenido de carbono: Fundiciones: contenido de carbono > 2 %. Aceros: contenido de carbono < 2 %. Las fundiciones son fácilmente moldeables en caliente, duras, resistentes y frágiles. Aplicaciones en construcción: tuberías de presión para conducción de agua, radiadores, Los aceros son forjables y conformables, tienen alta resistencia, ductilidad y tenacidad. Tienen que protegerse de la corrosión y el fuego. Fabricación del acero

7 Comportamiento mecánico de los aceros 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 (tipo Cortén): producen una Pátina oxidada de acero aleado (herrumbre adherente y muy poco porosa) que protege de los procesos de corrosiónoxidación Acero galvanizado: Acero recubierto por una capa cristalizada de cinc, que lo protege de la oxidación.

8 Acero galvanizado 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.

9 Conformación de productos de acero Son las técnicas para obtener productos de acero. Trabajo en frío: deformación a baja temperatura. Produce un aumento de las dislocaciones y 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. Procesos de conformación

10 Laminación en frío Productos de acero para estructuras Perfiles laminados estructurales: Piezas de desarrollo lineal para estructuras de acero (DB-SE-EA) Se designan por la forma de la sección (I, H, U, T, L) y su altura (canto) en mm (IPE 200, HEB 300, UPN 150) Pueden ser laminados, acabados en caliente o conformados. Cables y cordones: Para acciones de tracción. Acero de armar: Elementos de acero para estructuras de hormigón armado y pretensado (EHE-08). Armaduras pasivas: Barras corrugadas, mallas electrosoldadas, celosías de alambre electrosoldadas. Armaduras activas: Alambres, barras y cordones. (Sellos de Calidad CIETSID y Marca AENOR)

11 Documento Básico SE-A Estr. de Acero Los aceros considerados son los especificados en la Norma UNE EN en cada una de las partes que la componen. Todos los aceros relacionados en el DB son soldables. Aceros de calidades normalizadas (Norma UNE EN Parte 2): Productos laminados en caliente, de acero no aleado, para construcciones metálicas de uso general. Igualmente: 1.UNE EN Perfiles huecos para construcción, acabados en caliente, de acero no aleado de grano fino. 2.UNE EN Perfiles huecos de acero estructural conformados en frío.

12 Características comunes a los aceros 1. Físicas: Coeficiente de dilatación térmica: 1,2*10-5 ( o C) Densidad: 7850 kg/m 3 2. Mecánicas: Módulo de Elasticidad: N/mm 2 Módulo de Rigidez (G): N/mm 2 Coeficiente de Poisson: 0,3 Características mecánicas de los aceros (UNE EN 10025)

13 Acero para armar Tipos: S: soldable SD: soldable de alta ductilidad Diámetros nominales barras (mm) 6, 8, 10, 12, 14, 16, 20, 25, 32, 40 Otros productos de acero para construcción Cerrajería: Carpinterías, puertas, barandillas, Tuberías de presión: para trasporte de agua. Pueden ser de acero negro (soldable) o galvanizado. Chapa de acero: Por conformado en frío se pueden obtener gran cantidad de productos Paneles sandwich: Incorporan una capa de material aislante térmico entre dos hojas de chapa. Se utilizan para cerramientos y cubiertas ligeros. Herrajes: Elementos para cerramientos móviles (puertas, ventanas, ) Tornillería, anclajes,

14 Productos de acero conformados en frío Otros productos de acero para construcción

15 Materiales metálicos no férricos En general, se obtienen de minerales por reducción, tostación o electrolisis. Los más utilizados en construcción son: Aluminio: Es el más abundante de la corteza terrestre. Es ligero, resistente y conformable por extrusión. Cobre: Es dúctil y resistente. Tiene un alto coeficiente de dilatación. Es soldable. Cinc: Es muy deformable y resistente a la intemperie. Aleaciones no férricas: Las más importantes son el bronce (cobre-estaño) y el latón (cobre-cinc). Productos metálicos no férricos Aluminio: Perfiles para carpintería, chapas y paneles sandwich. Hilos y aparamenta eléctrica. Cobre: Chapas para cerramiento y cubierta, tuberías y canalones para recogida de agua, tubería de presión, Hilos y aparamenta eléctrica. Cinc: Chapas para cubierta, tuberías y canalones, Bronce: Herrajes, accesorios y elementos decorativos. Latón: Soldadura, accesorios y elementos decorativos.

16 Productos metálicos no férricos Uniones de productos metálicos Existen tres procedimientos de unión: mecánica, soldadura y adhesiva. Elementos unión mecánica: Remaches, tornillos, roblones. Soldadura

17 La soldadura Procedimiento de unión de dos piezas de metal mediante la aplicación de calor y/o presión. Se distinguen dos tipos: soldadura ordinaria (se aporta un material de unión). soldadura autógena (sin aportación de material). La soldadura ordinaria puede ser blanda (fusión del material a < 450 ºC) o dura (> 450 ºC). Las soldaduras por fusión (muy altas temperaturas) producen uniones muy rígidas. Hay varias técnicas: Por arco (al aire o con gas), aluminotérmica, por resistencia o electrosoldadura. Procedimientos de Soldadura

18 Dimensiones de Soldadura Inconvenientes de la soldadura La mayoría de las operaciones de soldadura se hacen manualmente, lo que implica mucha mano de obra. Hay soldaduras especiales y la realizan personal muy cualificado. La soldadura implica riesgos de seguridad (lesiones e incendios). Es una unión permanente, no permite el desensamble. Cuando es necesario el mantenimiento de un producto no debe utilizarse la soldadura. La unión soldada puede tener defectos de calidad que son difíciles de detectar. Estos defectos reducen la resistencia de la unión.

19 Posiciones de soldadura Precauciones en uniones por soldadura La posición de la soldadura debe evitar que la unión trabaje a tracción directa. La posición de soldadura debe permitir el acceso y la accesibilidad completa a la unión. Los procesos de calentamiento/enfriamiento de la unión pueden producir problemas como: Concentraciones de tensiones por enfriamiento diferencial. Variaciones de composición; pueden producir fragilidad de la unión, incremento de la rigidez, facilidad de oxidación/corrosión, etc. Plastificación por dilatación/contracción de las piezas. Pérdida de sección eficaz por acumulación de escoria en la garganta de soldadura.

20 Durabilidad de materiales metálicos 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 2 o sales) o a la presencia de otros metales con diferente electronegatividad (pares galvánicos). Protección de materiales metálicos Existen diferentes maneras de proteger los metales frente a la degradación (oxidación + corrosión): Evitando el contacto entre metales diferentes. Interposición de láminas poliméricas entre metales con diferente electronegatividad. Interponiendo materiales con menor electronegatividad (manguitos de sacrificio en conducciones de agua) Modificando su Composición (Acero inox.) Mediante Tratamientos superficiales: Recubrimientos electrolíticos (galvanizado) Pinturas y lechadas (reposición periódica) Pátinas oxidadas (Acero Cortén)

21 Protección de materiales metálicos Protección de materiales metálicos (pátinas)

22 Tema 9: Materiales metálicos. 1. Estructura y propiedades de los metales. 2. Tipos de materiales metálicos. Aleaciones. 3. Aceros y fundiciones: el sistema hierro-carbono. 4. Fabricación y conformación de productos de acero. 5. Productos de acero para construcción. 6. Normativa y designación de productos de acero 7. Metales no férricos y sus aleaciones. 8. Uniones de metales: la soldadura. 9. Durabilidad y protección de metales. Glosario de conceptos del Tema Materiales metálicos Perfiles Cobre Estructura metales Laminados en caliente Aluminio Propiedades metales Acabados en caliente Cinc Comportamiento mecánico Conformados en frío Aleaciones Aleaciones Aceros para perfiles Productos no férricos Sistema hierro-carbono Normativa Uniones Aceros y fundiciones Desiganción Soldadura Fabricación aceros Cables y cordones Tipos y t. ejecución Tipos de aceros Acero para armar Precauciones Tratamientos térmicos Designación Durabilidad Conformación productos Otros productos de acero Oxidación y corrosión Productos estructurales Metales no férricos Protección metales

23 Bibliografía de consulta recomendada Smith, W.; Fundamentos de ciencia e ingeniería de los materiales, Ed. McGraw-Hill, 1998.) Alamán, A; Materiales metálicos de construcción, Ed. COICCP, 2000 Araujo, R. y Seco, E.; Construir arquitectura en España con acero, ENSIDESA, Araujo, R. Construir con acero. Arquitectura en España , APTA, Código Técnico de la Edificación. DB-SE-A EHE-08, Aceros para armar.