1

CLASE Nº 2

METALES

UNIDAD IUNIDAD I Características y Propiedades Características y Propiedades

de los Materialesde los Materiales

2

CONCEPTOS BÁSICOSCuando hablamos de metales nos referimos a una extensa familia de materiales que el ser humano a utilizado por milenios, marcando incluso el desarrollo de épocas prehistóricas según el desarrollo de herramientas con un metal específico, como la Era del Cobre o la Era del Hierro.

Existen muchos metales utilizados en construcción, como el cobre, el aluminio y el zinc, aunque sin lugar a dudas el más utilizado en la actualidad es el acero, material que se obtiene de la refinación del hierro.La utilización de los metales en la construcción está marcada por la Revolución Industrial, ya que antes del siglo XIX se limitaba a elementos menores de las obras.

3

CARACTERÍSTICASAlgunos metales se encuentran en estado puro en la naturaleza, mientras que la gran mayoría están combinados con otros elementos, como por ejemplo el oxígeno, formando compuestos como los minerales.Para obtener metales útiles es necesario depurarlos en un proceso de transformación que requiere de mucho calor: la fundición, proceso que mejoró ostensiblemente en el siglo XIX y que paulatinamente incorporó mejores y nuevos materiales a todo el quehacer humano.

Además, debemos considerar que junto con los metales puros existen las aleaciones, que son mezclas con distintos materiales metálicos o no metálicos.

4

CARACTERÍSTICASDesde el punto de vista de las propiedades físicas, un metal se caracteriza por las siguientes cualidades:

1) Son sólidos a temperatura ambiente (excepto el mercurio). Los metales en estado sólido tienen un ordenamiento tridimensional según esquemas rígidos, denominados cristales, normalmente del tipo cúbico (ver detalle en topclass).

2) Brillantes, siempre que tengan superficie lisa.

3) Buenos conductores del calor y de la electricidad.

4) Dúctiles.5) Maleables.6) Flexibles.7) Tenaces a la tracción.

5

CARACTERÍSTICASLas propiedades químicas de los metales son:

1) Forman cationes. Los metales tienen facilidad para perder electrones, lo que facilita su combinación con otros elementos.2) Forman óxidos e hidróxidos. Al combinarse un metal con el oxígeno se forma un óxido. Los óxidos a su vez, pueden combinarse con agua y forman hidróxidos. Ambos tipos de compuestos son básicos debido a que pueden reaccionar con un ácido y formar una sal.Son óxidos importantes como integrantes de materiales de construcción:

Ca O óxido de calcio  cal viva, componente del cemento

Fe2O3 óxido de fierro III  óxido u orín del fierro.

Al2O3  óxido de aluminio recubrimiento del aluminio anodizado

6

CARACTERÍSTICAS3) Poseen carácter reductor. En este estado elemental, los metales solamente pueden perder electrones, reduciendo a otro elemento, generalmente un no metal.

Algunos metales usados en construcción:Algunos metales usados en construcción:Aluminio, Zinc, Cobre, Estaño, Níquel, Hierro, Plomo.

Características de algunos metalesCaracterísticas de algunos metales

Metal Densidad

t/m3

Punto de fusión

ºC

a10-6 1/ºC

Ekgf/cm2

AluminioZincCobreEstañoHierroNíquelPlomo

2,707,148,917,287,868,90

11,34

660906

1.083232

1.3901.445327

2422171811-

29

670.000

1.200.000

2.100.000

7

CARACTERÍSTICAS

Algunas aleaciones muy utilizadas son:Algunas aleaciones muy utilizadas son:Bronce: Aleación de cobre y estaño de color amarillento.

Duraluminio: Se compone de 94,5% de aluminio, 4% de cobre, 0,5% de manganeso, 0,5% de magnesio y proporciones menores de hierro y silicio. Latón: Aleación de cobre y zinc. Zinc-alum: Es una delgada lámina de acero, revestida por ambas caras con una capa de aluminio y zinc, aplicada mediante un proceso continuo.

Aleación Densidad

T/m3

Bronce rojo (90% Cu, 10% Sn)Bronce amarillo (80% Cu, 20% Sn)

8,728,68

Duraluminio 2,80

Latón amarillo (65% Cu, 35% Zn)Latón rojo (85% Cu, 15% Zn)

8,478,74

Fundición gris (4,5 % C)Hierro fundido (2% C, 1% Si)

7.207,30

8

ALUMINIOMetal de color blanco azulado. Admite pulido con lo que queda con brillo similar al de la plata, ligero, dúctil, muy maleable, buen conductor del calor y de la electricidad y resistente a la corrosión.Es el metal más abundante en la corteza terrestre. Se extrae de las bauxitas.

La capa de óxido del aluminio permanece en su superficie protegiéndolo de nueva oxidación.Es vulnerable al ataque de álcalis, mientras los ácidos lo atacan lentamente.

9

ALUMINIO

10

ALUMINIOAplicaciones:• Alambre.• Carrocerías (aviones, barcos, automóviles).• Contenedores.• Planchas para revestimientos.• Perfiles y tubos (puertas, ventanas, andamios, postes).• Recipientes, cubas, envases, cápsulas, bidones.

11

ALUMINIO

ANODIZADO: Proceso en que se acelera la oxidación natural del aluminio para darle una protección adecuada y una apariencia pareja.

12

COBRE

Es un mineral blando y dúctil, de color rojo pardo brillante, excelente conductor del calor y de la electricidad.En estado natural se encuentra como óxido y sulfatos, tomando un color verde, azul y amarillo característico, y siempre en combinación con otros minerales (molibdeno).Es un metal de moderada abundancia en la corteza terrestre.

13

COBRE

14

COBREAplicaciones:• Alambre.• Planchas para revestimientos.• Perfiles.• Tubos.• Canaletas.• Recipientes, cubas, envases, cápsulas, bidones.

15

COBRE

Facultad de Matemáticas PUCArqto. Alejandro Aravena

Casa GrauArqto. Matías Klotz

Museo Interativo MiradorArqto. Baixas y Del Río

16

ZINCEs un mineral que en la naturaleza NO se encuentra en estado puro, sino como sulfato, carbonato u óxido. Al depurarlo resulta un metal de color blanco azulado, de brillo intenso que se pierde en la medida que se oxida. Es blando y maleable.Su depuración pasa por dos fases: primero, por un proceso de flotación se logra eliminar los contaminantes hasta un 75% de pureza, para luego (por vía seca o húmeda) obtener un material de mayor pureza.Se utiliza en la fabricación de planchas, canaletas y recipientes, gracias a que, en contacto con el aire, el zinc se autoprotege de la corrosión al formar una capa de carbonato que no se altera con el aire atmosférico. También se usa como recubrimiento para elementos de acero.

17

BRONCEAleación de cobre con estaño (1 al 10%) y a veces con otros minerales, logra un metal de buena resistencia a la corrosión y muy apto para procesos de extrusión, forja, laminación, estampado y trefilado.La apariencia del bronce se modifica según la cantidad de estaño, pasando por tonos rojizo, dorado, amarillo hasta el blanco.Tiene múltiples aplicaciones en el ámbito de la construcción, como coplas para tuberías de cobre, piezas de cerrajería, quincallería y elementos de decoración.

18

LATÓNAleación de cobre con zinc, distinguiéndose entre los latones rojos (zinc menor a un 20%) de gran resistencia a la corrosión y utilizados en la fabricación de monedas, clavos, tornillos y otros elementos.El latón amarillo (zinc entre 34 a 37%) es menos resistente a la corrosión y se emplea en la industria automotriz, portalámparas y casquillos de ampolletas.

19

ACERO

Es común hablar de materiales ferrosos y de no ferrosos. Esta división aparece para distinguir aquellos elementos que tienen hierro en su composición básica (al que antiguamente se le llamaba fierro), de los que no contienen este elemento como fundamental (no ferrosos: oro, plata, cobre, aluminio, plomo, etc).

Dentro del ámbito de la construcción el uso de metales estuvo por siglos centrado en elementos menores y decorativos. No es hasta el siglo XIX en que la metalurgia del hierro posibilitó el desarrollo de los aceros estructurales y de una nueva forma de construcción que elevó las alturas de la arquitectura y de la ingeniería.

20

EL HIERROEl hierro es uno de los minerales más abundantes en la corteza terrestre, presentándose la mayor parte de las veces en esta oxidado, con un característico color rojizo. Para ocuparlo se debe purificar de todos los contaminantes con que está mezclado, proceso que requiere de mucho calor para llevarlo a estado líquido de fusión. El hombre lo conoce desde hace milenios, pero su depuración ha costado mucho debido a las altas temperaturas necesarias para este proceso.

21

EL HIERRO Fundiciones: o Son una familia de aleaciones férreas con una variedad de propiedades. A diferencia

de los aceros, que se verán a continuación, los hierros fundidos contienen entre 2 y 4% de carbono y un 3% de silicio.

o Tiene un amplio rango de resistencia y dureza, pero presentan baja resistencia al impacto y poca ductilidad. Las fundiciones producen excelentes aleaciones fundidas, puesto que se funden fácilmente y son muy fluidos en estado líquido.

o Existe 4 tipos de fundiciones, que se diferencian por la distribución del carbono en sus microestructuras: blanca, gris, maleable y dúctil. La composición de los diferentes tipos de fundiciones se dan en la Tabla 2.3.

22

EL HIERRO

23

ACEROEl hierro es base para el acero, aleación con un contenido de carbono entre un 0.05% y un 2%, lo que define cualidades como su resistencia mecánica y ductibilidad. Una leve variación en el porcentaje de carbono cambia la calidad del acero, el que se puede combinar con otros minerales como la aleación de cromo níquel (acero inoxidable), u otros (tungsteno, cobalto, molibdeno, etc.).

24

FUNDICIÓN DEL HIERRO

El acero se obtiene a partir del alto horno donde el hierro se calcina primero para eliminar el agua y descomponer sus contaminantes. Como reductor se usa el carbón coke. El alto horno tiene forma casi cilíndrica, generalmente revestido de ladrillos refractarios. Cerca del fondo hay varios tubos, llamados toberas, por donde se introduce aire caliente a presión. La carga de mineral, coke y fundente se vierte por la parte superior. A medida que desciende el material, el óxido de hierro se reduce a óxido ferroso y luego a hierro metálico esponjoso en la parte superior del horno, por la acción de óxido de carbono.

25

ALTO HORNO

26

ACEROEl proceso de producción parte con la depuración del hierro en un alto horno, obteniendo arrabio. Este producto pasa a un nuevo proceso de fusión donde se mezcla con carbono para producir acero. Estos procesos se realizan por medio del procedimiento en horno Bessemer, eléctrico o en el Siemens-Martin.

27

ACEROEl acero endurece por el temple y una vez templado, tiene la propiedad de que si se calienta de nuevo y se enfría lentamente, disminuye su dureza. El acero funde entre los 1400 y 1500°C, y se puede moldear con más facilidad que el hierro.

28

ACEROA la salida, se obtienen los semi-productos: barras de sección rectangular (desbastes) o cuadrada (tochos o palanquillas), que son las piezas en bruto que se transforman en productos terminados mediante el laminado, y algunos de ellos se someten a tratamiento térmico. Más de la mitad de las planchas laminadas en caliente son relaminadas en frío y eventualmente reciben un revestimiento de protección anticorrosión.

29

ESQUEMA DE PRODUCCIÓN

30

ACEROTipos de aceros:Aceros dulces: tiene bajos contenidos de carbono (hasta 0,2%) y son completamente dúctiles. Aceros medios: contienen entre un 0,2 y 0,6% de carbono. Estos aceros se pueden forjar y soldar. Aceros con altos contenidos de carbono: Estos aceros contienen entre 0,75 y 1,50%. Aceros especiales:

Tipo Composición Características Aplicaciones

Acero al manganeso 10 – 18% MnMuy duro y resistente al desgaste

Piezas para maquinarias para moler.

Acero al cromo-vanadio1 – 10% Cr0,15% V

Alta resistencia mecánicaEjes y piezas de maquinarias. Herramientas

Acero al wolframio10 – 20% W3 – 8% Cr

Conserva el temple a alta temperatura

Herramientas cortantes rápidas.

Acero al níquel 2 – 4% Ni Resistencia a la corrosión. Engranajes, cables

Aleación Invar 36% NiBajo coeficiente de dilatación térmico

Reglas graduadas.

Acero al níquel-cromo1 – 4% Ni

0,5 – 2% CrGran dureza y elasticidad Blindajes

Acero inoxidable18% Cr 8% Ni

Inoxidable Herramientas.

31

CORROSIÓN DEL ACERO

Todos lo metales sufren corrosión al estar en contacto con el oxígeno del aire o con el agua, pero a diferencia de los metales que vimos la clase pasada donde el óxido formado en la superficie del elemento constituía una capa protectora que impedía la formación de nueva oxidación, en el caso del acero la corrosión es degenerativa.

Esto quiere decir que el óxido de hierro que se forma en la superficie del acero se suelta en forma de escamas rojizas, perdiendo material y dejando una nueva capa de acero lista para formar nuevo óxido. Este proceso con el tiempo destruirá completamente el elemento.

Por lo tanto, es indispensable proteger al acero de la corrosión por contacto con oxígeno, ya sea con recubrimientos especiales o aleaciones.

32

ACERO Y EL FUEGOEl otro gran problema del acero es su mal comportamiento frente al fuego, ya que este material empieza a perder sus cualidades resistentes sobre los 500ºC de temperatura, colapsando por su peso propio como un elemento chicloso alrededor de los 750ºC.Cabe destacar que el acero NO es un material inflamable NI combustible, o sea, no da llama en presencia de fuego ni lo alimenta.Esta situación hace extremadamente peligrosa la acción de un incendio sobre una estructura de acero, razón por la cual se hace imprescindible protegerlo con productos o materiales incombustibles.

33

PRÓXIMA CLASE …

USO DEL ACERO EN CONSTRUCCIÓN

34

CLASE Nº 4CLASE Nº 4

USOS DEL ACERO EN CONSTRUCCIÓN

UNIDAD IUNIDAD I Características y Propiedades de Características y Propiedades de

los Materialeslos Materiales

35

EL ACERO EN CONSTRUCCIÓNEL ACERO EN CONSTRUCCIÓN

Los aceros que se utilizan en construcción se pueden dividir en varios grupos:

- Aceros de refuerzo para hormigón armado (enfierradura).- Aceros estructurales (perfiles).- Aceros para revestimientos (planchas).- Aceros para tubos.- Clavos, tornillos, pernos, etc.

36

ACERO PARA ACERO PARA HORMIGONESHORMIGONES

Las barras de refuerzo para hormigón armado deben cumplir con los requisitos establecidos en la norma NCh 204 of 77: Barras laminadas en caliente para hormigón armado. Existen dos formatos:• Barras (lisas y con resaltes).• Mallas (electrosoldadas).

37

ACERO PARA ACERO PARA HORMIGONESHORMIGONES

Según la NCh 204, los aceros para las barras para hormigón armado se identifican con la siguiente nomenclatura:

A XX – YY HLo cual significa:

A = Acero al carbono.XX = Resistencia de ruptura a la tracción (kg/mm2)YY = Límite de fluencia a la tracción (kg/mm2)H = Uso apropiado para hormigones

En otros usos la letra A puede ir acompañada de otras:AR = acero revirado.AC = acero corriente (no garantizado)AT = acero trefilado.

Mientras que la última letra puede ser:E = acero apropiado para estructuras.T = acero para tubos.S = acero con soldabilidad garantizada.

38

BARRASBARRASCalidad de acero para barras:A 36 – 24 HA 44 – 28 HA 56 – 35 HA 63 – 42 HPara distinguir la calidad de las barras, éstas deben llevar una marca en relieve cada 2m. Las barras lisas tienen un código de puntos, las con resaltes llevan códigos de letras H.En Chile las barras se distinguen por su diámetro en milímetros.

1 punto ó 1H.2 puntos ó 2H.3 puntos ó 3H.4 puntos ó 4H.

Clasificación de los aceros nacionales para hormigón armado.

Diámetro, mm Acero ordinario

A 44-28 H

Acero Alta ResistenciaA 63-42 H

5 a 50 Lisa ---

8 a 36 con resaltes con resaltes

39

BARRASBARRASLas propiedades mecánicas de las barras de acero para refuerzo de hormigón, de acuerdo a lo señalado en la norma Nch 204 of 78:

Propiedad A 44-28 H A 63-42 H

Resistencia a tracción, Rm, MPa 440 630

Tensión de fluencia, Mpa

máxima - 580

mínima 280 420

Alargamiento en la rotura, %

16

Siendo k un coeficiente que depende que depende del diámetro de la barra como se indica:

Diámetro e, mm 6 8 10 12 16  18 22 25 28 32 36

k 3 2 1 0 0 0 1 2 3 4 5

40

BARRASBARRASDe acuerdo a la norma NCh 204 of 78 se incluyen los diferentes diámetros normales y pesos nominales de los aceros de refuerzos usados corrientemente en la construcción:

Características nominales Dimensiones de los resaltes

Diámetro,E

Masa Sección Perímetro

Espaciamiento

mediomáximo,

E

Alturamedia

mínima, H

Anchobase

máximo, A

Mm kg/m cm2 cm mm Mm mm

68

101216182225283236

0,2220,3950,6170,8881,582,002,983,854,836,317,99

0,2830,5030,7851,132,012,543,804,916,168,04

10,20

1,892,513,143,775,035,656,917,858,80

10,1011,30

-5,67,08,4

11,212,615,417,519,622,425,2

-0,320,400,480,640,721,101,251,401,601,80

-2,02,53,04,04,55,56,37,08,09,0

41

BARRASBARRASLas barras de acero pueden trabajar con el hormigón gracias a la adherencia entre ambos, a lo que se puede sumar la coincidencia de sus módulos de dilatación y contracción.Las barras delgadas (de menor sección) tienen proporcionalmente mayor superficie de contacto con el hormigón, lo que mejora la adherencia.Los resaltes de las barras aumentan más la superficie de contacto con el hormigón, por eso se prefieren en obra.

42

BARRASBARRAS

Formas de Venta:

1) En tiras rectas (3 a 20m).

2) Rollos ( 5 a 11mm).

Las barras de acero se venden por KILOS. Su cubicación se hace en METROS LINEALES, por lo que es necesario conocer su conversión.

Rollos 5 -> 752m -> 117kg.Rollos 6 -> 526m -> 117kg.Rollos 8 -> 525m -> 207kg.

La recepción en obra debe verificar el material a recibir. Las barras se dividen por diámetro y longitud, disponiéndolas cerca del taller de enfierradores.

43

BARRASBARRAS

Ejemplo de Cubicación:

Si necesitamos 4 fierros (con resaltes) de 12mm de diámetro para una cadena de 6m de largo, entonces tenemos:

Fe 12 0,879kg/m0,879kg/m x 6m x 4 = 21,096kg

44

BARRASBARRAS

Barras de AceroDivididas por diámetro

Mesón de trabajo

45

MALLASMALLASUsos: Losas y Muros.

Están formadas por alambres de acero de alta resistencia AT 56 – 50 H.

Diámetros: 4 a 12mm.Dimensiones: 2,60 x 5,20m.

Mallas C: 10x10cm, 15x15cm.Mallas R: 10x15cm, 10x25cm,

15x25cm.

46

MALLASMALLAS

47

¿QUÉ ES UN PERFIL?¿QUÉ ES UN PERFIL?

Es una barra recta con una sección de forma especial que se mantiene igual en toda su longitud.

48

PERFILESPERFILESSe distinguen por su forma, largo y tipo de acero:1)Forma: perfiles abiertos y cerrados.2)Largo: 6m comercial, largos variables.3)Acero: A 42-27 ES, normas ASTM.

49

PERFILESPERFILESSon requisitos adicionales de la norma NCh 203 of 77 cumplir con un ensayo de doblado practicado sobre una probeta estandarizada, además de cumplir exigencias en la composición química para asegurar su soldabilidad.

Propiedades mecánicas de los aceros estructurales

Grado del acero

Resistencia a la tracción Límite de fluenciaAlargamiento

Rm Re

kgf/mm2 Kgf/mm2 %

A 37 – 24 ESA 42 – 27 ESA 52 – 34 ES

3700/47004200/52005200/6200

240027003400

0,240,220,20

50

PERFILESPERFILES

T I C L O Z

51

FABRICACIÓN DE FABRICACIÓN DE PERFILESPERFILES

Según su fabricación los perfiles se pueden distinguir en tres grupos:• Perfiles Laminados.• Perfiles Doblados en Frío.• Perfiles Soldados.

52

LAMINADOSLAMINADOSSe caracterizan por:• Utilizan lingotes de acero calientes.• Tener esquinas exteriores con aristas vivas (filosas).• Esquinas interiores redondeadas.• Caras principales NO paralelas. • Fabricación con aplicación de calor (950º - 1150º C).• Mayor resistencia mecánica.

53

DOBLADOS EN FRÍODOBLADOS EN FRÍOSe caracterizan por:• Utilizan láminas planas de acero.• Esquinas ligeramente redondeadas.• Caras principales siempre paralelas. • Proceso en frío con máquinas dobladoras (plegadoras).• Limitación del espesor de la plancha (hasta 10mm).

54

SOLDADOSSOLDADOSSe caracterizan por:• Utilizan recortes de láminas planas de acero.• Esquinas rectas.• Caras principales siempre paralelas. • Aplicación de cordones de soldadura.

55

PERFILES LIVIANOSPERFILES LIVIANOSSe caracterizan por:• Tener espesores < 3mm.• Ser doblados en frío.• Tener pliegues para aumentar su resistencia nominal. • Estar galvanizados.• Usar aceros A42-27ES y A37-24ES

En Chile se comercializan bajo el nombre de METALCON.

56

PERFILES LIVIANOSPERFILES LIVIANOS

57

PRÓXIMA CLASE …PRÓXIMA CLASE …

PLANCHAS, TUBOS Y FIJACIONES DE ACERO