Resistencia de Materiales

Universidad Catlica del Norte Escuela de Ingeniera

Ingeniera Civil Industrial

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Resistencia de Materiales

Acero

Integrantes: - Mirko Galleguillos Paredes - Andrs Pez Tapia - Daniela Toro Zuleta

Asignatura: Resistencia de Materiales

Profesor: Eric Moreno Fecha: 29 Octubre 2013



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INDICE

ACERO

INDICE ............................................................................................................................................... 2

INTRODUCCIN .............................................................................................................................. 3

ACERO ............................................................................................................................................... 4

1.DEFINICIN ............................................................................................................................... 4

2. PROCESO DE FABRICACIN ................................................................................................ 5

2.1 Etapas ........................................................................................................................................ 6

3.1 Clasificacin de acuerdo al porcentaje de Carbono .............................................................. 9

3.2 Clasificacin Aleados o no Aleados .................................................................................... 10

3.3 Clasificacin de acuerdo a los usos a los que se destinan segn UNE-NE 10020:2001 ..... 10

4. PROPIEDADES MECNICAS ............................................................................................... 11

4.1 Elasticidad ........................................................................................................................... 12

4.2 Limite de Elasticidad ........................................................................................................... 12

4.3 Plasticidad ........................................................................................................................... 13

4.4 Lmite de Fluencia ............................................................................................................... 13

4.5 Mdulo de Elasticidad ......................................................................................................... 13

4.6 Mdulo de Cortante ............................................................................................................. 14

4.7 Resistencia al Impacto ......................................................................................................... 14

CONCLUSIN ................................................................................................................................. 16

BIBLIOGRAFA ............................................................................................................................... 17



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INTRODUCCIN Es imposible determinar a ciencia cierta dnde y cmo el hombre descubri el acero, pero es cierto

que su historia est estrechamente ligada con el desarrollo de la cultura y la civilizacin. Visto de un

modo simple la definicin de acero, es la aleacin del hierro y el carbono, este ltimo comprendido

entre un porcentaje de un 0,05% y 1,7% del total del compuesto, que debido a ciertos tratamientos

metalrgicos como aadirle otros compuesto para mejorar sus caractersticas, adems del

aprovechamiento de una de sus principales propiedades que es el temple para flexibilizar y

aumentar su dureza. Para una utilizacin adecuada, se logra clasificarles segn su estado fsico, su

composicin qumica y su grado de aleacin basndose en ciertas normas internacionales a los que

se rigen.

En el siguiente informe se detallara de manera tcnica: la composicin, el proceso de fundicin, las

principales caractersticas que lo hacen un material indispensable para la civilizacin moderna y las

clasificaciones ms importantes que se le asignan de acuerdo a su proceso de fundicin.



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ACERO

1. DEFINICIN El acero se obtiene de la aleacin de hierro fundido o arrabio con carbono, en proporcin inferior

al 2 %. Es dctil, tenaz, conductor de electricidad, con magnetismo permanente, y maleable. Es

adems, duro, dependiendo su dureza de la cantidad de carbono que forme parte de su

composicin.

Los aceros extradulces tienen menos del 0.15 % de carbono y se emplean en elementos de

ferretera.

El acero dulce contiene carbono en proporcin del 0.15% al 0.30 % usndose en materiales de

construccin como alambres o chapas.

El acero semiduro, que se emplea en moldeo, contiene entre 0.30 y 0.45 % de carbono.

El acero duro, cuya utilizacin se destaca en carriles, muelles y balstica contiene carbono en una

cantidad entre 0.45% y 0.65 %.

El acero extraduro con ms de 0.65 % de carbono se usa en la fabricacin de herramientas y

cables de alta resistencia.

Como el hierro se oxida fcilmente, se fabrica el acero inoxidable que resiste la corrosin, y

se logra aadiendo cromo al menos en una proporcin del 10 %; puede contener tambin nquel y

molibdeno.

El acero posee tres propiedades mecnicas importantes tales como el lmite elstico, la resistencia a

traccin y el mdulo de elasticidad.



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2. PROCESO DE FABRICACIN Para llegar al acero, en la calidad que lo conocemos en el mercado, se siguen varios pasos;

primeramente se mezclan los minerales de hierro con carbn de coque y piedra caliza y se someten

a temperaturas elevadas de aproximadamente 3.000C. Una vez que se encuentre en fusin, se le

inyecta aire con el propsito de que se reduzcan los xidos de hierro. El proceso ocurre en los altos

hornos. Existen otros procesos para tratar el mineral, pero ninguno ha sido capaz de competir con el

alto horno de coque; en costo y eficiencia. El coque, la clave del xito en el proceso de alto horno,

es el combustible que da el calor necesario para fundir el mineral; proporciona el carbono, agente

reductor que se combina con el oxgeno y los separa. Debido a que es un mineral duro y poroso, una

columna central de coque parcialmente quemado, es capaz de soportar el peso de cientos de

toneladas de carga que presionan sobre la base del alto horno.

Los materiales, o sea el mineral de hierro, coque o piedra caliza, se cargan por la parte superior del

horno y poco a poco desciende a travs de zonas cada vez ms calientes. Una corriente de aire

caliente, a menudo enriquecida de oxgeno, es inyectada al alto horno a travs de aberturas hechas

cerca de la base.

El oxgeno, hace que el combustible arda y se combine con parte del carbono del coque, para

formar monxido de carbono, ste a su vez, acta sobre el mineral de hierro para producir hierro

metlico y bixido de carbono, aumentando la intensidad del calor durante el proceso. El hierro

fundido se acumula en la base del horno.

El mineral de hierro, contienen una cantidad considerable de impurezas terrosas que tambin entran

al horno y deben ser separadas como escoria. Esto se lleva a cabo mediante el uso de la piedra

caliza, que es como se mencion anteriormente, parte de la mezcla original; sta es convertida en

cal por el intenso calor, y forma una escoria con la mayor parte de las impurezas que se escurren,

hasta quedar flotando sobre el hierro fundido, que es ms pesado.

El hierro convertido en hierro colado (hierro de primera fusin), es recogido en la base del horno

cada 5 o 6 horas, en purgas 150 a 350 toneladas y trasladado para su posterior tratamiento. La

escoria es recogida con ms frecuencia y llevada al horno como desperdicio; sin embargo, la

industria puede utilizar gran cantidad de esta escoria en lugar de grava, para la elaboracin de

concreto o transformndola en mineral aislante. La operacin del alto horno es continua, el mineral

de hierro, el coque y la piedra caliza son vertidos sin interrupcin por la parte superior y escurren

por el horno a razn de 4 a 5 metros por hora, y el hierro colado y escoria salen por la base.

El hierro colado o arrabio, es un metal que contienen entre 90% y 95% de hierro, pero que an tiene

una cierta cantidad de impurezas, entre ellas, aproximadamente un 4% de carbn, 1% de manganeso

y cantidades menores de silicio, azufre y fsforo. Este mineral es poco apropiado para fines

estructurales debido a su alta fragilidad.

Para eliminar la mayor cantidad posible de impurezas, el hierro colado es llevado a otro lugar, an

fundido, para ser purificado en hornos de reverbero, el mtodo ms comn es el Siemens-Martin,

en el que se emplea un recipiente inclinado llamado convertidor y sistemas a base de hornos



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elctricos. Son en realidad pilas u hogares poco profundos, de alrededor de 30 metros de largo por 8

metros de ancho, donde se deposita el metal hasta una altura de 60 a 80 centmetros. El hierro

constituye solo una parte de la carga. Hay adems, piedra caliza para separar las impurezas y formar

la escoria, mineral de hierro que puede constituir del 2% al 20% de la carga, y chatarra de acero que

puede llegar hasta casi la mitad de la carga. Estos minerales slidos, son sometidos a temperaturas

de 1600 C durante casi dos horas, para fundirlos parcialmente, y luego se les aade el hierro colado

fundido hasta reverbero. El exceso de carbn es separado por su combinacin con el oxgeno del

mineral de hierro y las impurezas son absorbidas por la escoria.

Todo el proceso es sometido a una constante observacin, de manera que puede controlarse la

composicin de la mezcla. Transcurridas unas diez horas, la carga ya queda convertida en acero

fundido, y puede verterse el acero en moldes de 5 a 20 toneladas de capacidad, para solidificarse en

lingotes. Este acero no se requiere para laminar perfiles estructurales, sino que se piensa destinar a

otros elementos especficos, tales como barcos, aviones, tuberas, entre otros. Se hace necesario

aadir cantidades determinadas de ciertos elementos de aleacin como cromo, nquel o tungsteno,

dndonos por resultado, aceros con propiedades diferentes al acero de carbn.

2.1 Etapas



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3. CLASIFICACIN DE ACEROS

La composicin qumica del acero es de suma importancia en los efectos sobre las propiedades de

este, tales como: la soldabilidad, la resistencia a la corrosin, la resistencia a la fractura, etc.

Por ejemplo: el carbono que est presente en el acero incremente la dureza y resistencia, pero a la

vez reduce su maleabilidad. Debido a esto ciertas normas internacionales como la estadounidense

A.S.T.M que tiene un gran liderazgo en la definicin de los materiales, la UNE-EN 10020:2001 que

es una norma espaola o Cenim, categorizan a los materiales de la siguiente forma:

3.1 Clasificacin de acuerdo al porcentaje de Carbono La mayor parte de todos los aceros son fabricados con una aleacin de hierro y carbono y

dependiendo de la proporcin de carbono, se subclasifican en aleaciones fuertes y dbiles.

Los aceros de carbono forman ms del 90% de todos los aceros, y contienen diversas cantidades de

carbono y menos del 1,65% de manganeso, el 0,60% de silicio y el 0,60% de cobre. Entre los

productos fabricados con aceros al carbono encontramos la mayor parte de las estructuras de

construccin de acero.

Alguno de los productos fabricados con aceros al carbono son: mquinas, carroceras de automvil,

la mayor parte de las estructuras de construccin de acero, cascos de buques, somieres y horquillas.

Segn el contenido de carbono, la norma Cenim, los clasifica de la siguiente manera:



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%Carbono Denominacin Resistencia

0.1-0.2 Aceros extra suaves 38-48 kg/mm2

0.2-0.3 Aceros suaves 48-55 kg/mm2

0.3-0.4 Aceros semi suaves 55-62 kg/mm2

0.4-0.5 Aceros semiduros 62-70 kg/mm2

0.5-0.6 Aceros duros 70-75 kg/mm2

0.6-0.7 Aceros extra duros 75-80 g/mm2

3.2 Clasificacin Aleados o no Aleados

3.2.1 Aceros Aleados:

Contienen una proporcin determinada de vanadio, molibdeno y otros elementos, adems de

cantidades mayores de manganeso, silicio y cobre que los aceros al carbono normales.

Estos aceros de aleacin se pueden subclasificar en:

Estructurales: Son aquellos aceros que se emplean para diversas partes de mquinas, tales como

engranajes, ejes y palancas. El contenido de la aleacin vara desde 0,25% a un

6%.

Para

Herramientas

Aceros de alta calidad que se emplean en herramientas para cortar y modelar

metales y no-metales.

Especiales Los Aceros de Aleacin especiales son los aceros inoxidables, son aceros de gran

dureza y alta resistencia a las altas temperaturas y a la corrosin, tienen un

mximo de 1,2% de carbono.

3.2.2 Aceros no Aleados

El contenido de carbono no supera el 0,8%, y de acuerdo a su calidad se dividen en:

Alta

calidad

Presentan caractersticas especficas en cuanto a su tenacidad, tamao de grano y

formalidad.

Especiales Presentan una mayor pureza que los aceros de calidad, en especial en relacin con el

contenido de inclusiones no metlicas. Estos aceros son destinados a tratamientos de

temple y revenido,

3.3 Clasificacin de acuerdo a los usos a los que se destinan segn UNE-

NE 10020:2001

3.3.1 Aceros de Construccin

Presentan buenas condiciones de soldabilidad.

3.3.2 Aceros de uso General

Se encuentra en estado bruto de laminacin.



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3.3.3 Aceros Cementados Son sometidos a un tratamiento termoqumico que le proporciona dureza a la pieza, aunque son

aceros tambin frgiles (posibilidad de rotura por impacto).

3.3.4 Aceros para Temple y Revenido

Mediante el tratamiento se endurece y aumenta la resistencia de los aceros. El revenido disminuye

la dureza y resistencia de los materiales, elimina las tensiones creadas en el temple y se mejora la

tenacidad.

3.3.5 Aceros inoxidables o para usos especiales

Son aquellos que presentan una aleacin de hierro con un mnimo de 10% de cromo contenido en

masa. El acero inoxidable es resistente a la corrosin.

3.3.6 Aceros para herramientas de Corte y Mecanizado

Son aceros que presentan una alta dureza y resistencia al desgaste.

3.3.7 Aceros rpidos

Son un tipo de acero especial para su uso como herramienta de corte para ser utilizados con

elevadas velocidades de corte.

Para finalizar, existen diversas otras maneras y normas de clasificar de los aceros, como el sistema

de numeracin de aceros segn UNE-En 10020, UNE-36009, UNE-36010, segn ASTM (donde no

se especifica la composicin directamente, sino que ms bien determina la aplicacin o su mbito

de empleo), segn AISI (Utiliza un esquema general mediante 4 nmeros) y segn SAE (SAE

10XX, donde XX indica el contenido de Carbono (C)).

4. PROPIEDADES MECNICAS Las propiedades mecnicas del acero son de gran importancia en el comportamiento de un miembro

estructural. Ests, a su vez dependen principalmente, de la composicin qumica de los mismos, los

procesos de laminado y el tratamiento trmico a que estn sometidos.

Es usual en los aceros, someter el espcimen de prueba a una carga de tensin y se supone que para

todos los fines prcticos, el comportamiento a compresin es similar: siempre y cuando la esbeltez

del espcimen sea lo suficientemente pequea para que no ocurra el pandeo antes de que alcance su

resistencia. Sin embargo, en virtud que resulta ms sencilla efectuar la prueba de tensin, la mayora

de las propiedades mecnicas, se toman de una grfica esfuerzo-deformacin a tensin.

Se puede observar que un diagrama tpico de esfuerzo-deformacin de un acero estructural al

carbono, como en la figura 1, se caracteriza por la existencia de una zona inicial en la que los

esfuerzos y deformaciones estn relacionados entre s linealmente, seguida por la llamada regin

plstica, donde tienen lugar deformaciones considerables a esfuerzos constantes, y termina en una

regin de endurecimiento por deformacin, en el cual un incremento de deformacin es nuevamente

acompaado por un incremento de esfuerzo, hasta llegar finalmente a la ruptura.



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Fig. 1 Diagrama esfuerzo-deformacin caracterstico de un acero con bajo contenido de carbono.

En la figura 1 se indica una porcin del diagrama esfuerzo-deformacin, hasta el punto en que se

indica el endurecimiento por deformacin, la cual es aplicable para todos los aceros de la

construccin que tienen un punto de fluencia bien definido.

La deformacin unitaria plstica que precede al endurecimiento por deformacin es de diez a

veinte veces mayor que la deformacin unitaria correspondiente a la iniciacin del flujo plstico,

por lo tanto, un miembro que desarrolle esta deformacin plstica sufrir grandes deformaciones

antes de fallar.

4.1 Elasticidad Es la propiedad que tienen los cuerpos de recuperar el tamao y forma despus de la deformacin.

Si el material se somete a la accin de una carga, sufrir una deformacin.

Si al eliminar la carga, el material vuelve a su forma y tamao original, se habr producido en l

una deformacin elstica. Al esfuerzo se le llama elstico, cuando se produce dentro de un intervalo

elstico.

4.2 Limite de Elasticidad Es el esfuerzo mximo uniaxial que se puede aplicar a un material sin causarle ninguna

deformacin permanente. El intervalo elstico es aquel donde los esfuerzos menores que el lmite

elstico.

En un cuerpo elstico, no se requiere que la carga y la deformacin sean linealmente proporcionales

dentro del intervalo de la elasticidad. Por lo general, esto si ocurre dentro de la mayor parte de las

grficas de esfuerzo deformacin, pero la linealidad no es una condicin necesaria para que un

material sea elstico. Muchos materiales de ingeniera se comportan como lo indica la figura 2.



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Fig. 2 Comportamientos en diferentes materiales utilizados para la construccin

El lmite de proporcionalidad, en virtud de su propia definicin, debe de obtenerse a partir de la

grfica esfuerzo-deformacin, pero el lmite de elasticidad, no puede ser obtenido con precisin de

tal grfica solamente. Si se desea mayor precisin, el lmite elstico se puede determinar en base a

un ensayo de laboratorio.

4.3 Plasticidad Es una propiedad contraria a la elasticidad, ya que permite a los cuerpos conservar la deformacin

despus de suprimir la carga.

4.4 Lmite de Fluencia Es el esfuerzo a partir del cual el material presenta un gran incremento en sus deformaciones, sin

existir incrementos correspondientes en el esfuerzo. Este punto se localiza en un diagrama de

esfuerzo-deformacin, en donde el trazar una tangente a dicha curva, sta quedara en posicin

horizontal.

La forma de definir el lmite de fluencia, es diferente segn la clase de acero. En la mayora de los

aceros laminados en caliente, el lmite de fluencia est claramente definido, y en ellos se puede

apreciar un lmite superior y un lmite inferior. Sin embargo, existen aceros en los cuales solo hay

un lmite de fluencia, y en los aceros forjados, no existe un lmite de fluencia convencional, sino

que se fija donde la curva esfuerzo-deformacin cambia de pendiente en forma considerable. El

lmite inferior de fluencia, es el que aparece en las especificaciones de diseo de los aceros.

4.5 Mdulo de Elasticidad Relacin del esfuerzo y la deformacin en la regin elstica inicial de la curva esfuerzo-

deformacin. Se determina este valor por medio de la pendiente de dicha porcin elstica del

diagrama. Por consiguiente, el mdulo de elasticidad puede calcularse mediante a la siguiente

expresin:

En la mayora de los materiales estructurales, el valor de E es el mismo en tensin que en

compresin.



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4.6 Mdulo de Cortante Se representa por G y se le denomina tambin como mdulo de elasticidad al esfuerzo cortante o

mdulo de rigidez; ste valor lo obtenemos a partir de una de las constantes elsticas denominada

relacin de Poisson () y est dado por la siguiente expresin:

4.7 Resistencia al Impacto Es una medida para determinar la capacidad que tienen un acero de absorber una cantidad de

energa, al hacerle aplicaciones de cargas rpidas.

Una medida confiable de la resistencia al impacto se puede obtener a travs de la tenacidad. La

tenacidad es la habilidad del acero para soportar cargas que produzcan fractura. Un material tenaz

es definido en funcin de la resistencia a la propagacin inestable de una fractura en presencia de

una muesca.

Para la tensin uniaxial, la tenacidad puede ser expresada como el rea total bajo la curva del

diagrama esfuerzo-deformacin fuera del punto de fractura donde termina el diagrama. Pero, en

general, es muy difcil encontrar un elemento en una estructura con solo esfuerzos uniaxiales de

tensin requirindose un mtodo numrico ms complejo para determinar la tenacidad de un

material.

Sin embargo, existe una medida para determinar el grado de tenacidad para un metal antes de que

inicie la propagacin de una grieta; este es a travs de la prueba de Charpy de muesca en V. En

esta prueba, una pequea barra rectangular de dimensiones estandarizadas y una muesca en forma

de V al centro de la barra es apoyada libremente en sus extremos y fracturada por medio de un

pndulo despus de romperlo. Se determinan las cantidades de energa requeridas para romper

especmenes iguales a distintas temperaturas dentro de un rango determinado, y se traza una grfica

como en la figura 3 y en ella se ve la transicin del comportamiento dctil y frgil.



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Fig. 3 Curva de la transicin de temperatura para acero al carbono obtenida por la prueba Charpy

El valor de 15 pies-libras de energa se ha aceptado como referencia para evaluar el material,

mientras que el punto A es el punto de transicin de la temperatura.

Desde el punto de vista del diseo, mientras ms baja sea la temperatura de transicin, mejor ser la

clasificacin del acero para resistir cargas de impacto. La temperatura de transicin varia con el

espesor del material, razn por la cual deber tenerse especial cuidado en la seleccin del espesor

adecuado para evaluar la tenacidad del material.



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CONCLUSIN

El acero es uno de los materiales de fabricacin y construccin ms verstil y adaptable, es

ampliamente utilizado. Posee la cualidad de ser maleable, y sus propiedades pueden ser manejadas

de acuerdo a las necesidades especificadas mediante tratamientos con calor, trabajo mecnico o

mediante aleaciones. El acero, conserva las caractersticas metlicas del hierro en estado puro, pero

gracias al complemento del carbono y otros elementos tanto metlicos como no metlicos mejora

sus propiedades fsico-qumicas.

Es por ello, que el acero en sus distintas clasificaciones est presente en nuestra vida cotidiana en

forma de herramientas, utensilios, equipos mecnicos, tambin formando parte

de electrodomsticos y maquinaria en general, as como en las estructuras de las viviendas que

habitamos y en la gran mayora de los edificios.

En Chile existe una nica Planta Siderrgica integrada y pertenece a Ca. Siderrgica Huachipato

S.A. (empresa CAP), se ubica en la Baha de San Vicente, 14 Km. al noroeste de la ciudad de

Concepcin, capital de la Octava Regin, Chile.



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BIBLIOGRAFA http://ingemecanica.com/tutorialsemanal/tutorialn101.html#seccion36

http://www.construmatica.com/construpedia/Acero

http://www.infoacero.cl/procesos/siderur.htm

http://tesis.uson.mx/digital/tesis/docs/11885/Capitulo2.pdf

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