Información General del Acero

Las normas aprobadas por la ASTM para placas y perfiles laminados en caliente son A36, A529, A242, …

Normas para acero de grado estructural

Las normas aprobadas por la ASTM para placas y perfiles laminados en caliente son A36, A529, A242, A588, A709, A514, A852, A913 Y A992. La norma A709 es especial, en ella se definen aceros convenientes para la construcción de puentes.

ASTM A 36. Esta norma es aplicable a una variedad de perfiles estructurales laminados en caliente y a placas de la misma calidad que aún están disponibles en el mercado mexicano. Tiene un esfuerzo de fluencia de 2530 kg/cm² (250 MPa, 36 ksi), y su soldabilidad es adecuada. Se desarrolló desde hace muchos años en Estados Unidos para la fabricación de estructuras remachadas, atornilladas y soldadas, mejorando el contenido de carbono de los aceros disponibles en aquella época, como el ASTM A7. Con la innovación de este tipo de acero, las conexiones soldadas empezaron a desplazar a las remachadas que pronto desaparecieron.

ASTM A529. El ASTM A529 se usa con mucha frecuencia en la construcción de edificios de acero, también es un grado de acero común en barras y perfiles (ángulos, canales de calidad estructural). El acero A529 básico incluye grado 50 para perfiles de los grupos 1 y 2 de la ASTM; placas hasta de una pulgada de grueso y 12 pulgadas de ancho (25×305 mm) y barras hasta de 2 ½ in (64mm) de grueso. Los esfuerzos F_Y Y F_U mínimos son 42 y 60 ksi (2 950 y 4 220 a 5 975 kg/cm²).

ASTM A992. El A992 es la edición más reciente (1998) de la lista de aceros estructurales en Estados Unidos. Se produjo para usarse en construcción de edificios, y está disponible solamente en perfiles tipo W (Vigas IPR, IMCA IR). Para propósitos prácticos se trata de un esfuerzo de fluencia mínimo especificado de 235 de 354 MPa o 50 ksi (3 515 kg/cm²). La relación F_y/F_U no es mayor de 0.85 y el carbono equivalente no excede de 0.50%. Ofrece características excelentes de soldabilidad y ductilidad.

En la fabricación de estructuras metálicas fabricadas con aceros de alta resistencia ASTM A529, 572 y 992 se recomienda utilizar electrodos E 7018 (Resistencia mínima a la ruptura en tensión del metal de soldadura, los dos primeros dígitos corresponden a F_EXX=70 ksi= 4 920 kg/cm², el 1 corresponde a electrodos adecuados para cualquier posición: plana, horizontal, vertical o sobrecabeza y el número 8 se refiere a las características de la corriente que debe emplearse y a la naturaleza del recubrimiento. El recubrimiento de este electrón se caracteriza por tener un bajo contenido de hidrogeno y alto porcentaje de polvo de hierro.

Grados de acero para secciones estructurales huecas (Hollow Structural Section)

Las normas de acero estructural aprobadas por la ASTM para secciones estructurales huecas (HSS) son ASTM A 500, A 501, A618, A847 y la A53.

ASTM A53. El A53 está disponible en tipos E y S, donde E denota secciones fabricadas con soldadura por resistencia y S indica soldadura sin costura. El grado B es conveniente para aplicaciones estructurales; con esfuerzo de fluencia y resistencia a la ruptura en tensión respectivamente de 35 y 50 ksi (2 400 y 3 515 kg/cm²).

ASTM A500. Este tipo de acero está disponible en tubos de sección circular hueca HSS formados en frío en tres grados, y también en los mismos grados de tubos HSS formados en frío, de sección cuadrada y rectangular. Las propiedades para tubos cuadrados y rectangulares HSS difieren de los circulares HSS. El grado más común tiene un esfuerzo de fluencia y una resistencia de ruptura a la tensión de 46 y 58 ksi (320 MPa o 3 200 kg/cm² y 405 MPa o 4 100 kg/cm²).

ASTM A501. Para fines prácticos el A501 es similar al acero A36. Se usa para tubos HSS de sección circular, cuadrada y rectangular. Para el diseño de miembros estructurales de acero formados en frío, cuyos perfiles tienen esquinas redondeadas y elementos planos esbeltos, se recomienda consultar las especificaciones del Instituto Americano del Hierro y del Acero (American Iron and Steel Institute, AISI).

Pueden utilizarse otros materiales y productos, diferentes de los indicados en este Manual, si son aprobados por el diseñador y la contratista. La aprobación puede basarse en especificaciones técnicas publicadas que establezcan las propiedades y características del material o producto, que lo hacen adecuado para el uso que se le pretende dar, o en ensayes mecánicos o análisis químicos realizados en un laboratorio acreditado por la entidad de acreditación reconocida en los términos de la Ley Federal sobre Metrología y Normalización.

Pruebas o ensayos del acero

La forma en que se determinan con qué propiedades cuenta un material, es mediante la realización de diferentes pruebas o ensayos. En base a ellos es posible determinar qué material es el que emplearemos, por ejemplo, en levantar determinada estructura o edificio.

Dentro de los ensayos a que se someten los aceros, destacaremos los más utilizados:

• Ensayo de tracción
• Ensayo de dureza
• Ensayo de impacto
• Ensayo de doblado
• Análisis químico

Ensayo de tracción

Debido a la gran cantidad de información que puede obtenerse a partir de este ensayo, es sin duda alguna, uno de los test mecánicos más empleados para el acero. La versatilidad del ensayo de tracción radica en el hecho de que permite medir al mismo tiempo, tanto la ductilidad, como la resistencia. El valor de resistencia es directamente utilizado en todo lo que se refiere al diseño. Los datos relativos a la ductilidad, proveen una buena medida de los límites hasta los cuales se puede llegar a deformar el acero en cuestión, sin llegar a la rotura del mismo.

Este ensayo consiste es someter una muestra, denominada probeta, de sección uniforme y conocida, a una fuerza de tracción que va aumentando progresivamente. En forma simultánea se van midiendo los correspondientes alargamientos de la probeta.

Con los resultados de la elongación de la probeta, se puede graficar una curva de carga contra alargamiento, que generalmente se registran como valores de esfuerzo y deformación unitarios, y son independientes de la geometría de la probeta.

Al iniciarse el ensayo, el material se deforma elásticamente; esto significa que si la carga se elimina, la muestra recupera su longitud inicial. Se dice que el material sobrepasó su límite elástico cuando la carga es de magnitud suficiente para iniciar una deformación plástica, esto es, no recuperable. En otras palabras, el material no recupera su longitud inicial si se elimina la carga aplicada.

El esfuerzo alcanza su máximo en el valor de resistencia máxima a la tensión. En este valor de esfuerzo, se forma en la probeta una estricción o cuello, la cual es una reducción localizada en el área de la sección transversal, en la que se concentra todo el alargamiento posterior.

Una vez formado este cuello, el esfuerzo disminuye al aumentar la deformación y continúa disminuyendo hasta que la probeta se rompe.

Ensayo de dureza

El ensayo de dureza mide la resistencia de un material a la penetración de un punzón o una cuchilla. Este penetrador es también llamado durómetro. El durómetro usualmente consta de una bolita, pirámide o un cono de un material mucho más duro que el acero que se está midiendo. La profundidad hasta la cual penetra este material nos entrega un valor, el que está tabulando, obteniéndose así una medida de la dureza del acero.

Su uso está ampliamente extendido, especialmente dentro de las áreas de conformado y de tratamiento térmico de los aceros. Una utilización práctica, es la de dar una buena correlación entre las medidas que entrega y otras propiedades que pueden medirse directamente, como la penetración del temple de un acero.

Dado que el ensayo de dureza puede hacerse fácilmente, la información obtenida puede ser evaluada inmediatamente. Por estas razones y por su carácter no destructivo se le usa ampliamente para control de calidad en producción.

Existen tres principales formas de realizar este ensayo las cuales son:

1. Dureza Brinell

Define la dureza Brinell como un método de ensayo por indentación por el cual, con el uso de una máquina calibrada, se fuerza una bola endurecida (balín), bajo condiciones específicas, contra la superficie del material a ensayar y se mide el diámetro de la impresión resultante luego de remover la carga.

Se sabe experimentalmente que él número de dureza Brinell de casi todos los materiales está influenciado por la carga de penetración, el diámetro del balín y las características elásticas del mismo. En general debe usarse un balín de 10 mm de diámetro y de una composición química adecuada con cargas de 29 420 N, 14 710 N ó 4 903 N (3,000 kgf, 1,500 kgf ó 500 kgf) dependiendo de la dureza del material que va a probarse.

Es correcto su uso en materiales de perfil grueso, donde las huellas obtenidas son nítidas y de contornos delimitados. Si lo aplicamos a materiales de espesores inferiores a 6 mm, con un balín de 10 mm de diámetro, se deforma el material y los resultados obtenidos son erróneos. Para solucionar este problema se puede disminuir la carga de forma que las huellas sean menos profundas, disminuyendo también el diámetro del balín, para que el diámetro de la huella se pueda percibir.

2. Dureza Vickers

Es una prueba de dureza por penetración, en la cual se usa una maquina calibrada para aplicar una carga compresiva predeterminada, con un penetrador piramidal de diamante de base cuadrada y ángulos entre caras de 136º apoyado sobre la superficie del material bajo prueba. Para conocer la dureza después de retirar la carga se miden las diagonales de la huella resultante.

El ensayo consiste en hacer sobre la superficie de una probeta una huella con un penetrador en forma de pirámide recta de base cuadrada con determinado ángulo en el vértice, y medir la diagonal de dicha huella después de quitar la carga.

La dureza Vickers se define como el cociente de la carga de ensayo entre el área de la huella, que se considera como una pirámide recta de base cuadrada y con el mismo ángulo en el vértice que el penetrador.

3. Dureza Rockwell

El método consiste en hacer una indentacion en una probeta con un penetrador de diamante esferocónico o un penetrador esférico de acero, aplicando sucesivamente dos cargas y determinándose la profundidad permanente de la huella que se produjo bajo las condiciones específicas de una carga menor, y una mayor.

La máquina de prueba consiste en un soporte rígido o yunque, sobre el que se coloca la probeta y un dispositivo que aplica las cargas prefijadas a un penetrador en contacto con la misma.

Tipos de penetrador:

• Penetrador de diamante.
• Penetrador esférico de acero.

Para realizar la prueba es necesario que la superficie esté limpia, seca, libre de óxido, porosidades y material extraño que pudiera aplastarse o fluir bajo la presión de la prueba y afectar los resultados. Si se requiere un ataque químico de la superficie de prueba, este debe ser no más profundo que lo necesario para el estudio metalográfico.

La superficie en contacto con el soporte debe estar limpia, seca y libre de cualquier condición.

• Se diferencia de los anteriores en que la medida de la dureza se hace en función de la profundidad de la huella y no de su superficie.
• Es válido para materiales duros y blandos.
• Es un ensayo rápido y fácil de realizar pero menos preciso que los anteriores.

Ensayo de impacto

Utilizado para medir la tenacidad del acero. Esta prueba consiste en impactar una probeta estándar mediante un péndulo que se deja caer desde cierta altura es sometida a un fuerte impacto instantáneo, producto del cual ésta se rompe muy rápidamente.

Este hecho entrega una medida de la energía que se debe aplicar para su fractura, lo que se traduce en un índice de su tenacidad.

Si bien los resultados de los ensayos de impacto no se utilizan directamente para el diseño, son muy útiles como herramienta de la producción, ya que permiten la comparación de un acero con otro que ha dado resultados satisfactorios. Existen dos tipos de ensayo que han alcanzado gran difusión: Charpy e Izod. El resultado se mide en Joules o en Libra-Pie.

Ensayo de doblado

Este ensayo sirve para obtener una idea aproximada sobre el comportamiento del acero a la flexión o esfuerzo de doblado. Se comienza el ensayo, colocando la pieza sobre dos apoyos, cuya separación está normalizada. Se aplica luego, una fuerza controlada y que aumenta paulatinamente hasta que la probeta se dobla completamente o comienzan a aparecer las primeras grietas.

Análisis químico

Es un procedimiento para medir la concentración o cualquier otra propiedad química de una sustancia o material.

Este análisis se lleva a cabo por medio del espectrómetro, su funcionalidad está basada en la descomposición de la luz en las diferentes longitudes de onda que la componen a partir del fenómeno de refracción que sucede en un prisma o a partir del fenómeno de difracción de la luz. Además este instrumento mide los ángulos en los cuales se presentan los máximos del patrón de difracción. Estos ángulos son diferentes y característica de la naturaleza de la fuente que emite la luz.

Nomenclatura del IMCA

El Instituto Mexicano de la Construcción en Acero, A.C. (IMCA), consideró conveniente designar los perfiles de acero con solo dos letras, una ideográfica y la otra abreviatura de su descripción, en vez de las tres o más siglas tradicionales. A continuación se indican las equivalencias: