Estándares relevantes del acero estructural que definen su calidad y rendimiento

Propiedades del Acero requeridas para el diseño estructural

Diagrama esquemático de tensión / deformación para acero

Las propiedades del acero estructural resultan tanto de su composición química como de su método de fabricación , incluido el procesamiento durante la fabricación . Los estándares del producto definen los límites de composición, calidad y rendimiento, y estos límites son utilizados o presumidos por diseñadores estructurales. Este artículo revisa las principales propiedades que son de interés para el diseñador e indica los estándares relevantes para productos particulares. La especificación de la acería se cubre en un artículo separado.

Propiedades del material requeridas para el diseño

Las propiedades que los diseñadores deben tener en cuenta al especificar productos de construcción de acero son :

• Fuerza.
• Tenacidad.
• Ductilidad.
• Soldabilidad.
• Durabilidad.

Para el diseño, las propiedades mecánicas se derivan de los valores mínimos especificados en la norma del producto correspondiente. La soldabilidad está determinada por el contenido químico de la aleación, que se rige por los límites de la norma del producto. La durabilidad depende del tipo de aleación particular: acero al carbono ordinario, acero resistente a la intemperie o acero inoxidable.

Factores que influyen en las propiedades mecánicas

El acero deriva sus propiedades mecánicas de una combinación de composición química, tratamiento térmico y procesos de fabricación. Si bien el componente principal del acero es el hierro, la adición de cantidades muy pequeñas de otros elementos puede tener un efecto marcado sobre las propiedades del acero. La resistencia del acero se puede aumentar mediante la adición de aleaciones como manganeso, niobio y vanadio. Sin embargo, estas adiciones de aleaciones también pueden afectar negativamente a otras propiedades, como la ductilidad, tenacidad y soldabilidad.

Minimizar el nivel de azufre puede mejorar la ductilidad , y la dureza se puede mejorar mediante la adición de níquel. Por lo tanto, la composición química para cada especificación de acero es cuidadosamente balanceada y probada durante su producción para asegurar que se logren las propiedades apropiadas.

Los elementos de aleación también producen una respuesta diferente cuando el material se somete a tratamientos térmicos que implican enfriamiento a una velocidad prescrita desde una temperatura pico particular. El proceso de fabricación puede implicar combinaciones de tratamiento térmico y trabajo mecánico que son de importancia crítica para el rendimiento del acero.

El trabajo mecánico tiene lugar a medida que el acero se lamina o forma . Cuanto más acero se lamina, más fuerte se vuelve. Este efecto es evidente en los estándares de material, que tienden a especificar niveles reductores de límite elástico al aumentar el espesor del material.

El efecto del tratamiento térmico se explica mejor por referencia a las diversas rutas del proceso de producción que se pueden utilizar en la fabricación de acero, siendo las principales :

• Acero laminado.
• Acero normalizado.
• Acero laminado normalizado.
• Acero laminado termomecánicamente (TMR).
• Acero templado y revenido (Q&T).

El acero se enfría a medida que se lamina, con una temperatura típica de acabado de laminado de alrededor de 750 ° C. El acero que luego se deja enfriar de forma natural se denomina material "en rollo". La normalización tiene lugar cuando el material laminado se calienta de nuevo a aproximadamente 900 ° C y se mantiene a esa temperatura durante un tiempo específico, antes de dejar que se enfríe de forma natural. Este proceso refina el tamaño del grano y mejora las propiedades mecánicas, específicamente la tenacidad. El laminado normalizado es un proceso en el que la temperatura es superior a 900 ° C después de que se completa el laminado. Esto tiene un efecto similar en las propiedades de la normalización, pero elimina el proceso adicional de recalentamiento del material. Los aceros normalizados y laminados normalizados tienen una designación 'N'.

El uso de acero de alta resistencia a la tracción puede reducir el volumen de acero necesario, pero el acero debe ser resistente a las temperaturas de funcionamiento, y también debe presentar suficiente ductilidad para resistir la propagación de grietas dúctiles. Por lo tanto, los aceros de mayor resistencia requieren una mayor tenacidad y ductilidad, lo que se puede lograr solo con aceros limpios con bajo contenido de carbono y maximizando el refinamiento del grano. La implementación del proceso de laminado termomecánico (TMR) es una forma eficiente de lograr esto.

El acero laminado termomecánicamente utiliza una química particular del acero para permitir una temperatura de acabado de laminación más baja de alrededor de 700 ° C. Se requiere una mayor fuerza para rodar el acero a estas temperaturas más bajas, y las propiedades se retienen a menos que se recalienten por encima de 650 ° C. El acero laminado termomecánicamente tiene una designación 'M'.

El proceso para el acero templado y revenido comienza con un material normalizado a 900 ° C. Se enfría rápidamente o se 'apaga' para producir acero con alta resistencia y dureza, pero baja tenacidad. La dureza se restaura recalentando a 600 ° C, manteniendo la temperatura durante un tiempo específico y luego permitiendo que se enfríe naturalmente (templado). Los aceros templados y revenidos tienen una designación 'Q'.

El enfriamiento consiste en enfriar un producto rápidamente por inmersión directamente en agua o aceite. Se usa con frecuencia junto con el temple, que es un tratamiento térmico de segunda etapa a temperaturas inferiores al rango de austenización. El efecto del temple es suavizar las estructuras previamente endurecidas y hacerlas más resistentes y más dúctiles.

Diagrama esquemático de temperatura / tiempo de procesos de laminación

Fuerza

Límite de elasticidad

El límite elástico es la propiedad más común que necesitará el diseñador, ya que es la base utilizada para la mayoría de las reglas dadas en los códigos de diseño . En las normas europeas para aceros al carbono estructurales (incluido el acero resistente a la intemperie ), la designación principal se refiere al límite elástico, por ejemplo, el acero S355 es un acero estructural con un límite elástico mínimo especificado de 355 N / mm².

Los estándares del producto también especifican el rango permitido de valores para la resistencia a la tracción máxima (UTS). El UTS mínimo es relevante para algunos aspectos del diseño.

Aceros laminados en caliente

Para los aceros al carbono laminados en caliente, el número indicado en la designación es el valor del límite elástico para materiales de hasta 16 mm de espesor. Los diseñadores deben tener en cuenta que el límite elástico se reduce al aumentar el espesor de la placa o sección (el material más delgado se trabaja más que el grueso y el trabajo aumenta la resistencia).

Aceros conformados en frio

Existe una amplia gama de calidades de acero para flejes de acero adecuados para el conformado en frío.

Aceros Inoxidables

Los grados de acero inoxidable se designan mediante un 'número de acero' numérico (como 1.4401 para un acero austenítico típico) en lugar del sistema de designación 'S' para aceros al carbono. La relación tensión-deformación no tiene la distinción clara de un punto de fluencia y las resistencias de 'fluencia' del acero inoxidable para el acero inoxidable generalmente se citan en términos de una resistencia de prueba definida para una deformación permanente de compensación particular (convencionalmente la deformación del 0.2%).

Las resistencias de los aceros inoxidables estructurales comúnmente utilizados varían de 170 a 450 N / mm². Los aceros austeníticos tienen un límite elástico más bajo que los aceros al carbono comúnmente utilizados; Los aceros dúplex tienen un límite elástico mayor que los aceros al carbono comunes. Para los aceros inoxidables austeníticos y dúplex, la relación entre la resistencia final y el límite elástico es mayor que para los aceros al carbono.

Tenacidad

Muestra de prueba de impacto con muesca en V.

Está en la naturaleza de todos los materiales contener algunas imperfecciones. En el acero, estas imperfecciones toman la forma de grietas muy pequeñas. Si el acero no es lo suficientemente resistente, la 'grieta' puede propagarse rápidamente, sin deformación plástica y provocar una 'fractura frágil'. El riesgo de fractura quebradiza aumenta con el espesor, la tensión de tensión, los elevadores de tensión y a temperaturas más frías.

La dureza del acero y su capacidad para resistir fracturas frágiles dependen de una serie de factores que deben considerarse en la etapa de especificación. Una medida conveniente de tenacidad es la prueba de impacto de muesca en V Charpy: vea la imagen a la derecha. Esta prueba mide la energía de impacto requerida para romper una pequeña muestra con muesca, a una temperatura específica, por un solo golpe de impacto desde un péndulo.

Las diversas normas de productos especifican valores mínimos de energía de impacto para diferentes subgrados de cada grado de resistencia. Para los aceros estructurales no aleados, las designaciones principales de los subgrados son JR, J0, J2 y K2. Para aceros de grano fino y aceros templados y revenidos (que generalmente son más duros, con mayor energía de impacto) se utilizan diferentes designaciones.

Ductilidad

Estrés - comportamiento de deformación para acero.

La ductilidad es una medida del grado en que un material puede deformarse o alargarse entre el inicio del rendimiento y la fractura eventual bajo carga de tracción como se demuestra en la figura a continuación.

El diseñador confía en la ductilidad para varios aspectos del diseño, incluida la redistribución de la tensión en el estado límite final, el diseño del grupo de pernos, el riesgo reducido de propagación de grietas por fatiga y en los procesos de fabricación de soldadura , doblado y enderezado. Los diversos estándares para los grados de acero en la tabla anterior insisten en un valor mínimo para la ductilidad, de modo que los supuestos de diseño sean válidos y si se especifican correctamente, el diseñador puede estar seguro de su rendimiento adecuado.

Soldabilidad

Soldadura de refuerzos en una viga fabricada grande

Todos los aceros estructurales son esencialmente soldables. Sin embargo, la soldadura implica fundir localmente el acero, que posteriormente se enfría. El enfriamiento puede ser bastante rápido porque el material circundante, por ejemplo, la viga, ofrece un gran "disipador de calor" y la soldadura (y el calor introducido) es generalmente relativamente pequeño.

Esto puede conducir al endurecimiento de la 'zona afectada por el calor' (HAZ) y a una menor tenacidad . Cuanto mayor es el espesor del material, mayor es la reducción de la tenacidad .

La susceptibilidad a la fragilidad también depende de los elementos de aleación principalmente, pero no exclusivamente, el contenido de carbono. Esta susceptibilidad se puede expresar como el 'Valor equivalente de carbono' (CEV), y los diversos estándares de productos para el estándar de aceros al carbono dan expresiones para determinar este valor.

Durabilidad

Aplicación externa de protección contra la corrosión.

Otra propiedad importante es la de la prevención de la corrosión. Aunque existen aceros especiales resistentes a la corrosión, estos no se utilizan normalmente en la construcción de edificios. La excepción a esto es la intemperie de acero.

El medio más común para proporcionar protección contra la corrosión al acero de construcción es pintando o galvanizando. El tipo y grado de protección de recubrimiento requerido depende del grado de exposición, ubicación, vida útil, etc.

En muchos casos, en situaciones de secado interno, no se requieren recubrimientos de protección contra la corrosión que no sean la protección contra incendios adecuada. Se dispone de información detallada sobre la protección contra la corrosión del acero estructural.

Escultura de acero a la intemperie.

Acero a la intemperie

El acero resistente a la intemperie es un acero de baja aleación de alta resistencia que resiste la corrosión formando una 'pátina' protectora de óxido adherente, que inhibe la corrosión adicional. No se necesita recubrimiento protector. Se usa ampliamente para puentes y se ha usado externamente en algunos edificios. También se utiliza para características arquitectónicas y estructuras escultóricas como la imagen ubicada a la izquierda de este artículo.

Acero inoxidable

El acero inoxidable es un material altamente resistente a la corrosión que puede usarse estructuralmente, particularmente donde se requiere un acabado superficial de alta calidad. Los grados adecuados para la exposición en entornos típicos se dan a continuación.

Curvas típicas de tensión-deformación para acero inoxidable y acero al carbono en estado recocido.

El comportamiento de tensión-deformación de los aceros inoxidables difiere del de los aceros al carbono en varios aspectos. La diferencia más importante está en la forma de la curva de tensión-deformación. Mientras que el acero al carbono generalmente exhibe un comportamiento elástico lineal hasta el límite elástico y una meseta antes de que se encuentre el endurecimiento por deformación, el acero inoxidable tiene una respuesta más redondeada sin un límite elástico bien definido.

Por lo tanto, las resistencias de "rendimiento'' del acero inoxidable generalmente se definen para una deformación permanente de compensación particular (convencionalmente la deformación del 0.2%), como se indica en la figura a la derecha que muestra curvas experimentales de tensión-deformación típicas para aceros inoxidables austeníticos y dúplex comunes. Las curvas que se muestran son representativas del rango de material que probablemente se suministrará y no deben usarse en el diseño.

Las propiedades mecánicas se aplican a la placa laminada en caliente. Para las tiras laminadas en frío y en caliente, las resistencias especificadas son 10-17% más altas.

Los materiales adecuados para una clase superior se pueden usar para clases más bajas, pero pueden no ser rentables. Los materiales entre paréntesis podrían considerarse si se acepta una corrosión moderada. La acumulación de contaminantes corrosivos y cloruros será mayor en lugares protegidos; por lo tanto, podría ser necesario elegir un grado recomendado de la siguiente clase de corrosión más alta.