Acero

Tecnología. Materiales. Fabricación. Propiedades. Características mecánicas. Composición química. Tratamiento térmico

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  • OBJETIVOS

      • Conocer los equipos que comúnmente se emplean para realizar ensayos de materiales, así como sus principios de funcionamiento, operación y calibración (máquina universal de ensayos y extensómetros).

      • Determinar mediante un ensayo de tracción simple las características mecánicas de un material (acero SAE 1045)

      • Estudiar la influencia de la composición química y del tratamiento térmico en las propiedades mecánicas.

    INTRODUCCION

    El acero es uno de los materiales estructurales más versátiles, pues posee una gran resistencia, poco peso, facilidad de fabricación y otras propiedades que hacen a este material muy conveniente.

    El hierro puro es uno de los elementos de acero, por lo tanto consiste solamente de un tipo de átomos. No se encuentra libre en la naturaleza ya que químicamente reacciona con facilidad con el oxígeno del aire para formar oxido de hierro-herrumbre. El óxido se encuentra en cantidades significativas en el mineral de hierro, el cual es una concentración de óxido de hierro con impurezas y materiales térreos.

    En el siguiente informe se detallara la experiencia realizada en el laboratorio de acero que consiste básicamente en ensayar una probeta de acero normalizada según SAE1045, al ser sometida a un ensayo de tracción mediante una maquina universal de ensayos según los procedimientos establecidos en la Nch200 de ensayos a tracción ferrosos.

    En la primera parte se explicara la teoría básica con respecto al acero como por ejemplo su punto de fluencia, punto de ruptura, zona elástica y plástica; sus componentes (0,43-0,50% de carbono, 0,60-0,90% de manganeso, 0,04% de fósforo como máximo y un 0,05% de azufre como máximo), lo que busca la ductilidad, homogeneidad, elevado valor de la relación resistencia mecánica versus limite de fluencia, soldavilidad , opción de corte a la llama sin endurecimiento y resistencia razonable a la corrosión; y principalmente como este se comporta en teoría, frente a esfuerzos de tracción.

    Finalmente se llevaran estas teorías calculando el limite de proporcionalidad, punto de fluencia, esfuerzos máximos, esfuerzo de ruptura, etc. Además realizaremos los gráficos de esfuerzo v/s deformación y esfuerzo real v/s deformación real; que obtendremos a través del grafico del ensayo carga v/s alargamiento.

    El Proceso de Fabricación

    Las materias primas del acero son el mineral de hierro, caliza, y carbón mineral. Este último generalmente se somete a un proceso de destilación seca que lo transforma en coque metalúrgico. La principal dificultad para la fabricación del acero es su elevado punto de fusión, 1.400 ºC, que impide utilizar combustibles y hornos convencionales.

    Las materias primas anteriormente señaladas ingresan a los altos hornos (desarrollados por Henry Bessemer a partir de 1855), en el que son sometidas a temperaturas elevadas que transforma en arrabio (hierro líquido), el mineral de hierro y en escoria la caliza. El coque combustiona generando las temperaturas elevadas.

    Estos elementos se acumulan en la parte inferior de los altos hornos (crisol) y son descargados cada cierto tiempo (dos horas).

    Arrabio y escoria son separados por su densidad(la escoria posee una densidad menor). Esta última es apagada por un chorro de agua y el arrabio es conducido a los convertidores al oxígeno, aquí por la acción del oxígeno puro que se inyecta se oxidan el carbono, silicio, y fósforo del arrabio. Estas reacciones son exotérmicas y causan la fusión de la carga metálica fría sin necesidad de agregar ningún combustible y, por adición de cal, se forma la escoria en que se fijan las impurezas.

    De este proceso se obtiene acero líquido el que es recibido generalmente en cucharas y conducido a moldes para la fabricación de lingotes o a la colada continua. De estos últimos se fabrican finalmente las planchas y los perfiles.

    En el proceso Siemens-Martin, o de crisol abierto, se calientan previamente el gas combustible y el aire por un procedimiento regenerativo que permite alcanzar temperaturas de hasta 1.650 ºC.

    Relación Esfuerzo-Deformación del Acero

    Para el diseño de estructuras de acero se debe conocer el comportamiento del acero y para ello deben conocerse sus propiedades. Los diagramas esfuerzo-deformación ofrecen parte de la información necesaria para entender como se comporta el acero. Es imposible desarrollar métodos de diseño sin conocer las relaciones esfuerzo-deformación del material que se usa.

    Algunos conceptos importantes de considerar al momento de estudiar un acero son los siguientes:

    Limite proporcional elástico: Corresponde al mayor esfuerzo para el cual todavía es válida la Ley de Hooke o punto más alto de la porción recta del diagrama esfuerzo-deformación.

    Esfuerzo de fluencia: Es el esfuerzo para el cual termina la proporcionalidad entre el esfuerzo y la deformación. Corresponde al primer punto del diagrama esfuerzo-deformación para el cual la tangente a la curva es horizontal.

    Deformación elástica: Corresponde a aquella deformación que se presenta antes del esfuerzo de fluencia.

    Deformación plástica: Corresponde a aquella deformación que se presenta después del esfuerzo de fluencia, sin incremento de esfuerzo.

    Endurecimiento por deformación: Esta zona está situada después de la región plástica y en ella se requieren esfuerzos adicionales para producir deformaciones mayores.

    Ventajas del acero como material estructural

    Alta resistencia: La alta resistencia del acero por unidad de peso implica que será poco el peso de las estructuras. Esto es de gran importancia en estructuras con malas condiciones en la cimentación.

    Uniformidad: Las propiedades del acero no cambian apreciablemente con el tiempo como en el caso de las estructuras de concreto reforzado.

    Elasticidad: El acero se acerca más en su comportamiento a las hipótesis de diseño que la mayoría de los materiales, gracias a que sigue la Ley de Hooke hasta esfuerzos bastante altos.

    Durabilidad: Si el mantenimiento de las estructuras de acero es adecuado, durarán indefinidamente.

    Ductilidad: La ductilidad es la propiedad que tiene un material de deformarse visiblemente (plásticamente) antes de llegar a la ruptura. Se mide como un porcentaje de la variación de su geometría.

    Tenacidad: Los aceros estructurales son tenaces, es decir, poseen resistencia y ductilidad.

    Fatiga: Otra característica inconveniente del acero es que su resistencia puede reducirse si se somete a un gran número de inversiones del signo del esfuerzo, o bien, a un gran número de cambios de la magnitud del esfuerzo de tensión.

    PROCEDIMIENTO

    Fijar el extensómetro sobre la probeta.

    Seleccionar la mordaza según la norma o la norma particular del producto, si corresponde.

    Preparar la máquina de ensayo.

    Aplicar la carga a la velocidad que se indica mas adelante. Velocidad de ensayo o en las normas particulares del producto si corresponde.(cuya velocidad constante es de 0.2 cm/min de la maquina traccionadora y la maquina graficadora a 2 cm/min )

    A raíz de lo especificado anteriormente es preciso decir que trabajaremos con un factor de corrección de carga (tamaño en el papel es igual a 10 veces el tamaño de la probeta)

    DESARROLLO Y RESULTADOS

    Formulas:

    'Acero'
    'Acero'

    'Acero'
    'Acero'

    'Acero'

    P: Carga instantánea (kg).

    A0: Sección inicial de la probeta (mm2).

    : deformación convencional =  l/l0 (mm/mm).

    l0: longitud inicial de la probeta entre marcas (mm).

    lf: longitud final de la probeta entre marcas (mm).

    l: lf- l0= alargamiento (mm).

    Datos

    Cálculos basados en las formulas y el gráfico

    P [kg]

     l [mm]

     [kg/cm2]

    

    r [kg/mm2]

     r

    0

    0

    0

    0

    0

    0

    100

    0,0987

    509,295

    0,00197

    510,298

    0,001968

    400

    0,25

    2037,18

    0,005

    2047,36

    0,004988

    600

    0,4

    3055,8

    0,008

    3080,21

    0,007968

    900

    0,55

    4583,7

    0,011

    4634,07

    0,01094

    1000

    0,6

    5093,0

    0,012

    5154,06

    0,01193

    * 1020

    0,65

    5194,8

    0,013

    5262,34

    0,0129

    1020

    0,8

    5194,8

    0,016

    5277,92

    0,015873

    1020

    0,9

    5194,8

    0,018

    5288,31

    0,01784

    1020

    1

    5194,8

    0,02

    5298,7

    0,019803

    1100

    1,1

    5602,2

    0,022

    5725,49

    0,0217

    * 1270

    1,9

    6468,0

    0,038

    6713,83

    0,037296

    1320

    2,15

    6722,7

    0,043

    7011,76

    0,042101

    1400

    2,87

    7130,1

    0,0574

    7539,39

    0,055813

    *1425

    4,1

    7253,4

    0,082

    7852,56

    0,078811

    1400

    5,15

    7130,1

    0,103

    7864,53

    0,098034

    1270

    5,25

    6468,0

    0,105

    7147,19

    0,099845

    Limite de proporcionalidad

    Para obtener el limite de proporcionalidad calcularemos la pendiente de la recta que pertenece a la deformación elástica.

    Si tomamos el primer gráfico (Esfuerzo v/s Deformación convencional) tenemos:

    'Acero'

    Si ahora tomamos el segundo gráfico (Esfuerzo real v/s Deformación (o logarítmica)) tenemos:

    'Acero'

    Punto de fluencia

    Se calculara el punto de fluencia tomando donde termina el límite elástico y donde empieza el límite plástico:

    • Para el gráfico (Esfuerzo v/s Deformación convencional) se tienen los siguientes datos:

    punto de fluencia

    Esfuerzo de fluencia: 5071.95 (kg/cm2)

    Deformación de fluencia: 0.010611

    • Para el gráfico (Esfuerzo real v/s Deformación (o logarítmica)) se tienen los siguientes datos:

    punto de fluencia

    Esfuerzo de fluencia: 5125.77 (kg/cm2)

    Deformación de fluencia: 0.010555

    Esfuerzo máximo

    El Esfuerzo máximo corresponde al mayor valor resistido por la probeta de acero.

    • En el caso correspondiente al gráfico (Esfuerzo v/s Deformación convencional) tenemos:

    Esfuerzo máximo = 8256.66 (kg/cm2)

    • Para el caso correspondiente al gráfico (Esfuerzo real v/s Deformación (o logarítmica)) tenemos:

    Esfuerzo máximo = 9099.95 (kg/cm2)

    Esfuerzo de ruptura

    El Esfuerzo de ruptura es aquel en que la probeta se rompe o corta:

    • Para el gráfico (Esfuerzo v/s Deformación convencional) tenemos:

    Esfuerzo de ruptura: 7666.90 (kg/cm2)

    • En el caso del gráfico (Esfuerzo real v/s Deformación (o logarítmica)) tenemos:

    Esfuerzo de ruptura: 8714.36 (kg/cm2)

    Probeta de acero

    5 mm

    50 mm

    'Acero'

    'Acero'