IDENTIFICACION Y CARACTERIZACION DE UN ACERO Y UNA FUNDICION UTILIZADOS EN LA CONSTRUCCION DE PUENTES FERROVIARIOS A FINES DEL SIGLO PASADO

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1 Jornadas SAM IV Coloquio Latinoamericano de Fractura y Fatiga, Agosto de 2000, IDENTIFICACION Y CARACTERIZACION DE UN ACERO Y UNA FUNDICION UTILIZADOS EN LA CONSTRUCCION DE PUENTES FERROVIARIOS A FINES DEL SIGLO PASADO A. Picasso a/b, R. Romero a/b y A. Cuniberti a/c a Instituto de Física de Materiales Tandil (IFIMAT)-UNCentro, Pinto 399, (7000) Tandil (Provincia de Buenos Aires, Argentina) b Comisión de Investigaciones Científicas de la Provincia de Buenos Aires (CICPBA) c Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET) RESUMEN Se presenta el estudio de un acero y de una fundición utilizados en la construcción de puentes ferroviarios, los cuales han sido fabricados entre 1890 y Teniendo en cuenta que los métodos utilizados en la fabricación de acero en aquella época difieren de los actuales, es de interés identificar y analizar las características de estos materiales, y compararlas con las de un acero moderno de similar composición (acero testigo). Los resultados obtenidos revelan que el acero estudiado presenta las características de un hierro pudelado (acero extradulce con inclusiones no metálicas), el cual habría sido conformado por un proceso de soldadura en paquetes, de uso de la época. Un estudio similar realizado en la fundición permitió caracterizar la microestructura, compuesta por grafíto laminar y una fase matriz perlítasteadita. La presencia de steadita obedece al alto contenido de fósforo del material, mayor al de una fundición gris de uso actual. Palabras claves Acero Antiguo, Pudelado, Fundición Perlíta-Steadita INTRODUCCION Se ha realizado un estudio sobre muestras de material correspondientes a puentes ferroviarios situados en las ciudades de Salsipuedes y Pororó en la República Oriental del Uruguay. Recientemente, debido a la necesidad de incrementar la carga por eje de vagón, las autoridades ferroviarias del vecino país han realizado un llamado a licitación con el objeto de reforzar los puentes ferroviarios existentes. Una empresa interesada en dicha presentación solicitó asesoramiento a nuestro Instituto, acerca del estado de conservación y características del material de los puentes. De acuerdo con la información brindada por la empresa, estos materiales fueron fabricados en el Reino Unido entre 1890 y 1910 y utilizados para la construcción de puentes ferroviarios en la India, los que posteriormente, fueron desmontados y armados en la R. O. del Uruguay, durante el periodo de extensión de la red ferroviaria. En este trabajo se presentan los resultados más relevantes del estudio realizado. PARTE EXPERIMENTAL La empresa evaluó in situ el estado de los puentes y seleccionó secciones para ser estudiadas, de esta manera se nos entregaron dos trozos de acero y uno de fundición. Las 893

2 Picasso, Romero y Cuniberti muestras de acero fueron extraídas de perfil tipo L, consistieron en trozos de planchuela de 12.5 mm de espesor por 80 mm de largo y 60 mm de ancho. A partir de alli, se cortaron y prepararon muestras para determinar su composición química y caracterizar la microestructura a través de microscopía óptica. En forma paralela, se prepararon muestras para determinar microdureza. A partir del material restante, se mecanizaron 3 (tres) probetas planas con una longitud útil de l o = 25 mm y una sección rectangular de So = 20 mm 2, para la realización de ensayos de tracción a temperatura ambiente. La pieza de fundición recibida, correspondería a uno de los apoyos móviles del puente. De la misma se cortaron y prepararon muestras para su análisis. RESULTADOS Composición química Las muestras de acero presentaron una alta densidad de poros e inclusiones, por lo cual fue necesario determinar su composición por el método de vía húmeda. La tabla 1 muestra la composición química del acero, como así también, las correspondientes a un acero 1008 (acero testigo) y una composición típica de hierro pudelado para su comparación [2]. Tabla 1: Composición química del acero (% en peso). C Mn Si P S Escoria Acero antiguo Si (cant. No determ). IRAM 1008 [1] 0.10 max max max max No Fe pudelado [2] En la Tabla 2 se presenta la composición química de la fundición antigua, determinada mediante espectroscopía de absorción. Se presenta además la composición de una fundición gris típica de uso actual. Tabla 2: Composición química de la fundición (% en peso) C Si Mn P S HB Fundición Antigua > Fundición gris para piezas grandes [3] Microestructura Acero: Observaciones realizadas en muestras pulidas sólo mecánicamente revelaron la presencia de una fracción en volumen alta de inclusiones no metálicas en el plano de laminación, Figura

3 Jornadas SAM IV Coloquio Latinoamericano de Fractura y Fatiga Figura 1: Inclusiones no metálicas (escoria) en muestras del material En la Figura 2 se observa el aspecto de las inclusiones en el plano perpendicular al de laminación como también capas alternadas con distintos tamaños de grano. Figura 2: Inclusiones vistas en el plano perpendicular al plano de laminación (rotada 45 º respecto de la Figura 1). 3x. Esta estructura se presenta con mayor detalle en las Figuras 3(a)-(b). Para la capa de granos grandes se determinó un tamaño de grano medio d m = 120 µm y para la de granos pequeños d m = 23.5 µm, siendo el espesor aproximado de cada capa de 700 y 500 µm, para la capas de grano grueso y pequeño, respectivamente. En la capa de granos pequeños se observa una distribución de granos uniforme con una relación de aspecto próxima a uno, mientras que en la de granos grandes la distribución no es tan homogénea. 895

4 Picasso, Romero y Cuniberti a b Figura 3: Capas con distintos tamaños de grano observadas en la microestructura. (a) 80x. (b) 240x La fase matriz está constituida por ferrita; el valor de microdureza obtenido fue Hv 152 ± 3 propio de esta fase de dureza inferior a HRC 0 [2]. Las inclusiones no metálicas son más duras que la fase matriz con un valor promedio Hv 367 ± 3. Las características descriptas son comunes a las dos muestras de acero recibidas. Fundición: La microestructura revelada mostró las características de una fundición gris con grafito laminar, cuya matriz está constituida por perlita y una fase compleja no identificada, Figura 4. Figura 4: Micrografía de la fundición antigua. 400x Es conocido que un alto contenido de fósforo en fundiciones de este tipo conduce a la presencia de steadita, por lo que es posible que esta sea la fase compleja. Se realizó un ataque químico utilizando picro-nital durante 10 minutos, el cual colorea todas excepto la fase steadita [4]. En la Figura 5 se presenta la microestructura luego del ataque, se observa la fase steadita sin atacar, en su interior se observan precipitados de fosfuros de hierro. 896

5 Jornadas SAM IV Coloquio Latinoamericano de Fractura y Fatiga Figura 5: Fase eutéctica steadita (zonas brillantes) conteniendo fosfuros de Fe. También se observa el grafito laminar (gris claro) 160x. La steadita es una fase eutéctica de ferrita y fosfuro de Fe, con un 10% de P. Posee un bajo punto de fusión (960 º C) y generalmente se la encuentra en bordes de grano ya que es la última fase en solidificar, se presenta en las fundiciones cuando el contenido de P está por encima del 0.15% [3]. Propiedades Mecánicas Acero: Con el fin de caracterizar las propiedades mecánicas del acero, se realizaron ensayos de tracción a temperatura ambiente. En la tabla 3 se presentan los valores medios de tensión de fluencia al 0,2 %, la tensión máxima y la deformación total alcanzada en este material; como así también en un acero similar moderno de construcción y de hierro pudelado, tomados estos dos últimos valores de la bibliografía [1,2] Tabla 3: Características mecánicas del acero estudiado, de un acero de construcción y del hierro pudelado s 0.2 [MPa] s max [MPa] e [%] Estado Este material 248±10 305±13 8 Laminado Iram 1008 [1] Laminado Fe pudelado [2] [2] 5-25 [5] Laminado Fundición : Se determinó la dureza Rockwell y se obtuvo un valor equivalente en Brinell de 115. Esta difiere considerablemente de aquel correspondiente a una fundición gris para piezas grandes de este tipo (HB ). Es de señalar que la mayor discrepancia en composición entre las dos fundiciones es el alto contenido en fósforo de la estudiada. Se determinó ademas la microdureza Vickers en la steadita y se obtuvo un valor de Hv 340 ± 10. Este valor está de acuerdo con aquel dado en la bibliografía [2], entre 300 y 350 Hv. Este resultado confirma la identificación realizada metalográficamente. El fosfuro de hierro, el cual forma parte de la steadita, tiene una dureza muy elevada, 600 a 700 HV, conduciendo a que la steadita presente una alta dureza. 897

6 Picasso, Romero y Cuniberti ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS El acero estudiado presenta una estructura ferrítica con un alto contenido de escoria o inclusiones no metálicas. Para el tiempo de fabricación de los puentes, fin del siglo XIX, el método de fabricación del acero mas establecido en el Reino Unido era el de hornos de corazón abierto [6], el alto contenido de escoria observado en este caso sugiere que el método de fabricación ha sido el mas primitivo denominado pudelado. La tabla 1 muestra la composición química del material estudiado y de un hierro pudelado de buena calidad. Puede observarse que ambos materiales presentan una composición química muy similar, exceptuando el contenido de Mn, donde el primero muestra una concentración mayor. De la misma forma, en la tabla 3 se observa que las propiedades mecánicas de ambos materiales son comparables. El hierro pudelado fue un material muy utilizado desde fines de 1700 hasta comienzos del presente siglo en la construcción de estructuras metálicas, en general. El mismo consiste en un metal heterogéneo impuro, obtenido en hornos de pudelar en estado pastoso por descarburación de la fundición y que en el interior de su masa metálica contenía gran cantidad de pequeñas partículas de escoria (inclusiones no metálicas) [2,5]. Para su utilización, el material era previamente laminado presentando mayor resistencia a la tracción y mayor ductilidad en el sentido longitudinal de laminación que en el transversal. Un aspecto interesante surgió al hacer observaciones de tamaño de grano mediante microscopía óptica, donde se encontró una distribución de tamaños de grano en forma de capas. Esta estructura podría haberse originado durante la última etapa del proceso de fabricación [5, 6, 7], durante la cual varias planchas de material eran superpuestas y calentadas hasta alcanzar la temperatura de soldabilidad para luego ser laminadas en caliente, obteniéndose una única pieza (soldadura en paquete). La superficie de fractura reveló un modo de deformación estratificado, con capas paralelas a la dirección de laminación y sin estrangulamiento en la zona de rotura. En este sentido, el material se comportó como si se hubiese fabricado a partir de láminas delgadas, adheridas en forma de sandwich, lo cual es consistente con la microestructura observada y el proceso de trabajado descripto. En cuanto a las inclusiones observadas, no hemos podido caracterizarlas mediante ataques con reactivos químicos; sin embargo, de acuerdo con las micrografías, dureza y composición química del material, es posible que se trate de una escoria rica en silicatos de manganeso y hierro, agregada durante el proceso de fabricación. Se observó que las mismas están orientadas en la dirección de laminación, su color es gris oscuro, con alta magnificación se observan diferencias de coloración que pueden ser atribuídas a heterogeneidades en la composición [8]. Los silicatos son compuestos muy duros y se observan alargados cuando el material ha sido sometido a un proceso de laminado, con una reducción importante en su espesor [5]. Es interesante destacar el excelente estado de conservación del material, luego de un siglo de vida útil, ya que se observó una película muy delgada de óxido de hierro en su superficie. Esta característica es una de las propiedades que presenta el hierro pudelado [2], ya que posee una alta resistencia a la corrosión. En cuanto a la fundición de hierro, de acuerdo con la Tabla 2, esta correspondería a una fundición gris con bajo contenido de aleantes a excepción del fósforo. El alto contenido de fósforo permite mejorar la colabilidad [2] y conduce a la formación de steadita. Este es un compuesto relativamente frágil, que presenta una alta dureza. Posiblemente, la pieza de fundición estudiada haya sido utilizada como punto de apoyo del puente. Esta se fijaría a la 898

7 Jornadas SAM IV Coloquio Latinoamericano de Fractura y Fatiga columna de material, permitiendo un libre desplazamiento por rozamiento de la armadura sobre ésta, en el caso de sufrir una dilatación la estructura. Otra característica interesante de destacar es que este tipo de fundición presenta buena resistencia al desgaste, principalmente, por la presencia de esta fase. CONCLUSIONES El estudio sobre la caracterización de aleaciones utilizadas en la construcción de puentes ferroviarios condujo a las siguientes conclusiones : En el caso del acero se trata de un acero de baja aleación, del tipo hierro pudelado, cuya microestructura revela claramente el proceso de fabricación mediante la deformación en caliente de láminas superpuestas. Las inclusiones no metálicas serían compuestos de silicato de manganeso y hierro, material que se agregaba habitualmente al hierro para obtener el hierro pudelado. La fundición presenta un alto contenido de fósforo, comparado con una fundición gris ordinaria actual. Esto conduce a la formación de steadita como una de las fases principales. Luego de un siglo de uso en un ambiente natural no especialmente protegido, tanto el hierro pudelado como la fundición presentan un estado de conservación muy satisfactorio. AGRADECIMIENTOS Se agradece el apoyo de la Comisión de Investigaciones Científicas de la Provincia de Buenos aires y de la SeCyT de la UNCentro. REFERENCIAS 1. Aceros para Construcciones Mecánicas-Hojas de Características, IAS, Octubre Introducción a la Metalurgia Física, S. H. Avner, Ed. McGraw-Hill, Fundiciones, J.Apraiz, Ed.Dossat, Metalografía Microscópica. A. Sturla y E. Castellano, Lib. y Ed. Alsina, Aceros Especiales y otras aleaciones. J. Apraiz Barreiro, Ed. Dossat, Madrid, An Introduction to Metallurgy. A. Cottrell, Ed, E. Arnold, London, Siderurgia. P.A.Pezzano, Lib.y Ed.Alsina, Tratamientos térmicos de los Aceros. J.Apraiz Barreiro, Ed.CIE,