Tema 9: Materiales metálicos.1. Estructura y propiedades de los metales.

2. Tipos de materiales metálicos. Aleaciones.

3. Aceros y fundiciones: el sistema hierro-carbono.

4. Fabricación y conformación de productos de acero.

5. Productos de acero para construcción.

6. Normativa y designación de productos de acero

7. Metales no férricos y sus aleaciones.

8. Uniones de metales: la soldadura.

9. Durabilidad y protección de metales.MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN. GRADO EN F. ARQUITECTU RA Y U.

Curso 2018-2019. Escuela de Arquitectura.Profesor Gonzalo Barluenga Badiola

Objetivos Docentes:

• “Conocer los materiales metálicos utilizadosen construcción, sus tipos y propiedades,procesos de fabricación.”

• “Conocer los procedimientos de unión,normativa, designación y aplicaciones de losmateriales metálicos en construcción”.

Materiales metálicos

• Son materiales sólidos policristalinos (cristales metálicos)

• Se obtienen por procesado de minerales que contienencompuestos metálicos (óxidos, carbonatos, sulfuros, …)

• La Metalurgia trata las operaciones necesarias paraseparar los metales (mena) de las impurezas (ganga).

• El enlace metálicocondiciona sus propiedades.

• Son densos, isótropos, impermeables y susceptibles decorroerse y oxidarse. Conducen el calor y la electricidad.

• Presentan defectos cristalinos (impurezas y dislocaciones)y tienen un comportamiento mecánico elasto-plástico.

• Son dúctiles, tenaces y maleables.

Estructura de los metales (Tema 1)• Escala atómica:

• Están compuestos por átomos metálicos, que cedenfácilmente electrones y forman enlaces metálicos.

• Escala microestructural:

• Los cristales metálicos perfectos son frágiles.

• La existencia y cantidad de defectos modifican sucomportamiento:

Las dislocaciones (defectos lineales) aumentan laplasticidad y reducen la resistencia.

Las impurezas y el menor tamaño de grano aumentan laresistencia y la fragilidad.

Estructura metálica

Propiedades de los materiales metálicos• Son consecuencia de la estructura cristalina metálica.

• Isótropos (propiedades iguales en todas direcciones)

• Densos, oxidables y corrosibles.

• Insolubles en disolventes polares (agua).

Propiedades Físicas

Propiedades Mecánicas

Conductores eléctricos

Conductores térmicos

Incombustibles

Alto coeficiente de dilatación

Dúctiles y maleables

Comportamiento elásto-plástico

Alta resistencia a compresión y tracción

Comportamiento plástico (metales)

Descargado

Orientación de los granos de un metal por tensiones de tracción

Cargado

Los granos se orientan en la dirección de la tensión, deformándose. Para que uno se deforme, los adyacentes deben deformarse también.

Comportamiento mecánico metales

CEDENCIA

Aleaciones metálicas

• Sonmezclas de metales(o en las que predominan losmetales) que forman sistema (materiales polifásicos).

• En algunos casos, las aleaciones son soluciones líquidas(temperatura de fusión) que se transforman endispersiones al enfriarse.

• La presencia de diferentes fases modifica laspropiedades del material.

• Aleaciones utilizadas en construcción:

Aleaciones ferrosas: Aceros y fundiciones

Aleaciones no ferrosas: Bronce (cobre y estaño)Latón (cobre y cinc)

El sistema hierro-carbono

• La Siderurgia es la rama de la metalurgia que trata elprocesado de los compuestos de hierro (alotrópico).

• La obtención del hierro se realiza porreducción delóxido de hierro con carbón en un alto horno (arrabio).

• El arrabio se oxida para disminuir el contenido decarbono (refinado) y otras impurezas (azufre y fósforo).

• Una parte del carbono restante se combina con el hierro(cementita) y otra se disuelve (ferrita y austenita).

• El contenido de cada fase depende de lacomposición yvelocidad de enfriamientodel material.

Aceros y fundiciones

• Son aleaciones siderúrgicas de hierro y carbono.

• Se diferencian en el contenido de carbono:

Fundiciones: contenido de carbono > 2 %.

Aceros: contenido de carbono < 2 %.

• Las fundiciones son fácilmente moldeables en caliente,duras, resistentes y frágiles.

Aplicaciones en construcción: tuberías de presión paraconducción de agua, radiadores, mobiliario exterior…

• Los aceros son forjables y conformables, tienen altaresistencia, ductilidad y tenacidad.

Tienen que protegerse de la corrosión y el fuego.

Fabricación del acero

Comportamiento mecánico de los

aceros

Tipos de aceros en construcción

• Los más importantes son:• Aceros al carbono: Son la mayor parte de los aceros de

construcción.Son soldables.• Aceros aleados:Tienen otros metales aleados que

modifican sus propiedades (físicas y mecánicas).Aceros inoxidables: Contienen Cr, Ni u otros elementosen aleación que aumentan la resistencia a la oxidación.Aceros Patinables (tipo Cortén): producen una Pátinaoxidada de acero aleado (herrumbre adherente y muypoco porosa) que protege de los procesos de corrosión-oxidación

• Acero galvanizado:Acero recubierto por una capacristalizada de cinc, que lo protege de la oxidación.

Acero galvanizado

Tratamientos térmicos de los aceros

• Variando el calentamiento/enfriamiento se puedenmodificar las propiedades de los aceros al carbono.

• Tipos de tratamientos:

Recocido: Recalentamiento del acero para reducir lastensiones producidas por el trabajo en frío.

Normalizado: Calentamiento y enfriamiento al aire pararefinar la estructura e incrementar la resistencia.

Templado: enfriamiento rápido (en agua) del acero enforma austenítica. Produce martensita que es muy dura.

Revenido: Calentamiento de un acero templado a bajastemperaturas para hacerlo más blando y dúctil.

Tratamientos térmicos de los aceros

Conformación de productos de acero

• Son las técnicas para obtener productos de acero.

• Trabajo en frío : deformación a baja temperatura.

Produce un aumento de las dislocaciones y laresistencia (endurecimiento).

Técnicas: laminado, extrusión, trefilado, plegado, …

• Trabajo en caliente: Deformación a temperaturasuperior a la de recristalización del acero.

Se puede deformar a tensión constante (plastificación).

• Moldeado: se vierte el acero en estado líquido en unmolde y se deja enfriar.

Procesos de conformación

Laminación en frío

Productos de acero para estructuras• Perfiles laminados estructurales: Piezas de desarrollo

lineal para estructuras de acero (DB-SE-EA)Se designan por la forma de la sección (I, H, U, T, L) ysu altura (canto) en mm (IPE 200, HEB 300, UPN 150)Pueden ser laminados, acabados en caliente oconformados.

• Cables y cordones: Para acciones de tracción.• Acero de armar: Elementos de acero para estructuras

de hormigón armado y pretensado (EHE-08).Armaduras pasivas: Barras corrugadas, mallaselectrosoldadas, celosías de alambre electrosoldadas.Armaduras activas: Alambres, barras y cordones.(Sellos de Calidad CIETSID y Marca AENOR)

Documento Básico SE-A Estr. de Acero• Los aceros considerados son los especificados en la Norma

UNE EN 10025 en cada una de las partes que la componen.

• Todos los aceros relacionados en el DB son soldables.

• Aceros de calidades normalizadas (Norma UNE EN 10025 Parte 2): “Productos laminados en caliente, de acero no aleado, para construcciones metálicas de uso general”.

• Igualmente: 1.UNE EN10210-1 “Perfiles huecos para construcción, acabados

en caliente, de acero no aleado de grano fino”.

2.UNE EN10219-1 “Perfiles huecos de acero estructural conformados en frío”.

Características comunes a los aceros (DB-SE-A)

1. Físicas:• Coeficiente de dilatación térmica: 1,2*10-5 (o C)

• Densidad: 7850 kg/m3

2. Mecánicas:• Módulo de Elasticidad: 210000 N/mm2

• Módulo de Rigidez (G): 81000 N/mm2

• Coeficiente de Poisson: 0,3

Características mecánicas de los aceros (UNE EN 10025/ (DB-SE-A))

Acero para armar (EHE)

Diámetros nominales barras (mm)

6, 8, 10, 12, 14, 16, 20, 25, 32, 40

Tipos:

S: soldable

SD: soldable de alta ductilidad

Otros productos de acero para construcción

• Cerrajería: Carpinterías, puertas, barandillas, …

• Tuberías de presión: para trasporte de agua.

Pueden ser de acero negro (soldable) o galvanizado.

• Chapa de acero: Por conformado en frío se puedenobtener gran cantidad de productos

• Paneles sandwich: Incorporan una capa de materialaislante térmico entre dos hojas de chapa.

Se utilizan para cerramientos y cubiertas ligeros.

• Herrajes: Elementos para cerramientos móviles(puertas, ventanas, …)

• Tornillería, anclajes, …

Productos de acero conformados en frío

Otros productos de acero para construcción

Materiales metálicos no férricos

• En general, se obtienen de minerales por reducción,tostación o electrolisis.

• Los más utilizados en construcción son:

• Aluminio: Es el más abundante de la corteza terrestre.

Es ligero, resistente y conformable por extrusión.

• Cobre: Es dúctil y resistente. Tiene un alto coeficientede dilatación. Es soldable.

• Cinc: Es muy deformable y resistente a la intemperie.

• Aleaciones no férricas: Las más importantes son elbronce (cobre-estaño) y el latón (cobre-cinc).

Productos metálicos no férricos

• Aluminio: Perfiles para carpintería, chapas y panelessandwich. Hilos y aparamenta eléctrica.

• Cobre: Chapas para cerramiento y cubierta, tuberías ycanalones para recogida de agua, tubería de presión, …

Hilos y aparamenta eléctrica.

• Cinc: Chapas para cubierta, tuberías y canalones, …

• Bronce: Herrajes, accesorios y elementos decorativos.

• Latón: Soldadura, accesorios y elementos decorativos.

Productos metálicos no

férricos

Uniones de productos metálicos

• Existen tres procedimientos de unión: mecánica,soldadura y adhesiva.

Elementos unión mecánica:Remaches, tornillos, roblones.

Soldadura

La soldadura

• Procedimiento de unión de dos piezas de metalmediante la aplicación de calor y/o presión.

• Se distinguendos tipos:

soldadura ordinaria (se aporta un material de unión).

soldadura autógena (sin aportación de material).

• La soldadura ordinaria puede ser blanda (fusión delmaterial a < 450 ºC) o dura (> 450 ºC).

• Las soldaduras por fusión (muy altas temperaturas)producen uniones muy rígidas. Hay varias técnicas:

Por arco (al aire o con gas), aluminotérmica, porresistencia o electrosoldadura.

Procedimientos de Soldadura

Dimensiones de Soldadura

Inconvenientes de la soldadura

• La mayoría de las operaciones de soldadura se hacen manualmente, lo que implica mucha mano de obra. Hay soldaduras especiales y la realizan personal muy cualificado.

• La soldadura implica riesgos de seguridad (lesiones e incendios).

• Es una unión permanente, no permite el desensamble. Cuando es necesario el mantenimiento de un producto no debe utilizarse la soldadura.

• La unión soldada puede tener defectosde calidad que son difíciles de detectar. Estos defectos reducen la resistencia de la unión.

Precauciones en uniones por soldadura• La posición de la soldadura debe evitar que la unión

trabaje a tracción directa.• La posición de soldadura debe permitir el acceso y la

accesibilidad completa a la unión.• Los procesos de calentamiento/enfriamiento de la

unión pueden producir problemas como:– Concentraciones de tensiones por enfriamiento diferencial.– Variaciones de composición; pueden producir fragilidad de

la unión, incremento de la rigidez, facilidad de oxidación/corrosión, etc.

– Plastificación por dilatación/contracción de las piezas.– Pérdida de sección eficaz por acumulación de escoria en la

garganta de soldadura.

Durabilidad de materiales metálicos

• Los metales pueden sufrir degradación por diferentesfenómenos:

Oxidación: por combinación con oxígeno.

Se forman costras de óxido metálico que pueden serimpermeables y proteger al metal (cobre) o permeables(herrumbre u orín en el hierro).

Corrosión: Debida a la exposición de los metales a losagentes ambientales (humedad, CO2 o sales) o a lapresencia de otros metales con diferenteelectronegatividad (pares galvánicos).

Protección de materiales metálicos• Existen diferentes maneras de proteger los metales

frente a la degradación (oxidación + corrosión):

Evitando el contacto entre metales diferentes.

Interposición de láminas poliméricas entre metales condiferente electronegatividad.

Protección catódica con materiales con menorelectronegatividad (manguitos de sacrificio)

Modificando su Composición (Acero inox. y patinable)

Mediante Tratamientos superficiales:

Recubrimientos electrolíticos (galvanizado)

Pinturas y lechadas (reposición periódica)

Protección de materiales metálicos

Protección de materiales metálicos (pátinas)

Tema 9: Materiales metálicos.1. Estructura y propiedades de los metales.

2. Tipos de materiales metálicos. Aleaciones.

3. Aceros y fundiciones: el sistema hierro-carbono.

4. Fabricación y conformación de productos de acero.

5. Productos de acero para construcción.

6. Normativa y designación de productos de acero

7. Metales no férricos y sus aleaciones.

8. Uniones de metales: la soldadura.

9. Durabilidad y protección de metales.

Glosario de conceptos del Tema

•Materiales metálicos •Perfiles •Cobre

•Estructura metales •Laminados en caliente •Aluminio

•Propiedades metales •Acabados en caliente •Cinc

•Comportamiento mecánico

•Conformados en frío •Aleaciones

•Aleaciones •Aceros para perfiles •Productos no férricos

•Sistema hierro-carbono •Normativa •Uniones

•Aceros y fundiciones •Desiganción •Soldadura

•Fabricación aceros •Cables y cordones •Tipos y t. ejecución

•Tipos de aceros •Acero para armar •Precauciones

•Tratamientos térmicos •Designación •Durabilidad

•Conformación productos •Otros productos de acero •Oxidación y corrosión

•Productos estructurales •Metales no férricos •Protección metales

Bibliografía de consulta recomendada

• Smith, W.; Fundamentos de ciencia e ingeniería de los materiales, Ed. McGraw-Hill, 2014.

• Alamán, A; Materiales metálicos de construcción, Ed. COICCP, 2000

• Araujo, R. y Seco, E.; Construir arquitectura en España con acero, ENSIDESA, 1994 (Reeditado).

• Araujo, R. Construir con acero. Arquitectura en España 1993-2007, APTA, 2009.

• www.constructalia.es // www.apta.com.es• Código Técnico de la Edificación. DB-SE-A• EHE-08, Aceros para armar.