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 Profesor Ana M.ª Marín Palma
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.
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)
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 (Tema 1).
Fabricación del acero
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.
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. Aparatos sanitarios: bañeras, platos de ducha.
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.
Los más importantes son: Tipos de aceros en construcción 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 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. que
Acero inoxidable
Acero Cortén Acero galvanizado
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.
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.
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). Moldeado: se vierte el acero en estado líquido en un molde y se deja enfriar.
Procesos de conformación
Laminación en frío
Comportamiento mecánico de los aceros
Endurecimiento por deformación en frío Incremento del límite elástico Carga Descarga Recarga Deformación elástica (recuperable)
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, CO 2 o sales) o a la presencia de otros metales con diferente electronegatividad (pares galvánicos). - Fuego: Plastificación con la temperatura.
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) Protección contra fuego: recubrimientos y pinturas
Protección de metales siderúrgicos Daño
Protección a fuego de acero
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.
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)
(V. P. Silva 2006)
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)
Glosario de conceptos del Tema Materiales metálicos Acero Revenido Sistema hierro-carbono Tipos de acero Técnicas de conformación Siderurgia Aceros al carbono Trabajo en frío Metales siderúrgicos Aceros aleados Trabajo en caliente Fundición Acero galvanizado Moldeado Fundición gris Acero patinable Comportamiento mecánico Fundición blanca Aceros inoxidables Durabilidad Aplicaciones Tipos de inoxidable Protección Tratamientos térmicos Recocido Normalizado Templado Protección al fuego CTE DB SI Reacción al fuego Resistencia a fuego
Bibliografía de consulta recomendada. Alamán, A; Materiales metálicos de construcción, Ed. COICCP, 2000 Araujo, R. y Seco, E.; Construir arquitectura en España con acero, ENSIDESA, 1994(Reeditado) Araujo, R. Construir con acero. Arquitectura en España 1993-2007, APTA, 2009. www.constructalia.es Código Técnico de la Edificación. DB-SE-A. DB-SI