Acero inoxidable

22
Acero inoxidable
Instituto Técnico
de la Estructura
en Acero
ITEA
ÍNDICE
ÍNDICE DEL TOMO 22
ACERO INOXIDABLE
Lección 22.1: Introducción al Acero Inoxidable ....................................
1
1 INTRODUCCIÓN AL ACERO INOXIDABLE .................................................
4
2 HISTORIA .......................................................................................................
5
3 ¿QUÉ ES EL ACERO INOXIDABLE? ...........................................................
6
4 ¿POR QUÉ UTILIZAR ACERO INOXIDABLE ...............................................
8
4.1 Razones ..................................................................................................
8
4.2 Otras propiedades positivas del acero inoxidable ............................
8
5 TIPOS DE ACERO INOXIDABLE ..................................................................
10
5.1 Aceros inoxidables austeníticos .........................................................
10
5.2 Otras Aleaciones Inoxidables ..............................................................
11
6 DESIGNACIÓN DE LOS ACEROS INOXIDABLES ......................................
14
6.1 Sistema descriptivo ..............................................................................
14
6.2 Sistema AISI ..........................................................................................
14
6.3 Sistema de Número de Material (Nº Werkstoff) ..................................
14
6.4 Sistema abreviado de designación .....................................................
15
6.5 Aplicación según las normas ..............................................................
15
7 TRABAJO DE TALLER Y PRODUCTOS ......................................................
16
7.1 Formas de los Productos .....................................................................
16
7.2 Trabajo en frío .......................................................................................
16
7.3 Soldabilidad ...........................................................................................
16
7.4 Acabados ...............................................................................................
16
8 TORNILLOS Y TUERCAS .............................................................................
18
9 APLICACIONES TÍPICAS .............................................................................
20
10 RESUMEN FINAL ...........................................................................................
22
11 BIBLIOGRAFÍA...............................................................................................
22
I
Lección 22.2: Comportamiento y Proyecto Estructurales ...................
23
1 INTRODUCCIÓN .............................................................................................
26
2 CONSIDERACIONES PRELIMINARES .........................................................
27
2.1 Generalidades ........................................................................................
27
2.2 Selección de la Clase del Material ......................................................
27
2.3 Disponibilidad de Formas Estructurales ............................................
27
3 COMPORTAMIENTO MECÁNICO ..................................................................
29
3.1 Relaciones Tensión/Deformación ........................................................
29
3.1.1
Comportamiento tensión-deformación básico ......................
29
3.1.2
Factores que afectan al comportaiento ..................................
30
3.2 Tabajo en frío .........................................................................................
30
3.3 Efectos de la Temperatura ...................................................................
31
3.4 Otras propiedades .................................................................................
32
4 COMPORTAMIENTO Y PROYECTO DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES ...
33
4.1 Generalidades ........................................................................................
33
4.1.1
Cálculo elástico o plástico .......................................................
33
4.1.2
Efecto de la no linealidad del material ....................................
33
4.2 Clasificación y abolladura ....................................................................
36
4.2.1
Clasificación ..............................................................................
36
4.2.2
Abolladura ..................................................................................
37
4.3 Proyecto de pilares ...............................................................................
37
4.4 Proyecto de vigas ..................................................................................
42
5 UNIONES ........................................................................................................
44
5.1 Aspectos generales ..............................................................................
44
5.2 Uniones Atornilladas ............................................................................
44
5.3 Uniones Soldadas .................................................................................
44
6 RESUMEN FINAL ...........................................................................................
46
7 BIBLIOGRAFÍA ...............................................................................................
46
8 BIBLIOGRAFÍA ADICIONAL ..........................................................................
46
Lección 22.3: Corrosión de Acero Inoxidable .......................................
47
1 INTRODUCCIÓN .............................................................................................
50
2 TIPOS DE CORROSIÓN .................................................................................
51
II
ÍNDICE
2.1 Picadura .................................................................................................
51
2.2 Corrosión en Fisuras ............................................................................
51
2.3 Corrosión Bimetálica ............................................................................
52
2.4 Fisuración por Corrosión bajo Tensión ..............................................
52
2.5 Corrosión General (Uniforme) .............................................................
53
2.6 Ataque Intergranular y Degradación de la Soldadura .......................
53
3 SELECCIÓN DE LA CLASE ...........................................................................
54
4 CONSIDERACIONES DEL DETALLE ............................................................
56
5 ALMACENAMIENTO Y MANIPULACIÓN ......................................................
57
6 RESUMEN FINAL ...........................................................................................
58
7 BIBLIOGRAFÍA ...............................................................................................
58
Lección 22.4: Fabricación .......................................................................
59
1 INTRODUCCIÓN .............................................................................................
62
2 LABRA DEL ACERO INOXIDABLE ...............................................................
64
2.1 Corte .......................................................................................................
64
2.2 Perforación y Punzonado .....................................................................
64
2.3 Amoladura ..............................................................................................
65
3 OPERACIONES DE CONFORMACIÓN Y ENSAMBLAJE ............................
66
3.1 Conformación en frío ............................................................................
66
3.1.1
Plegado en prensa ....................................................................
66
3.1.2
Conformación en rodillo ...........................................................
66
3.1.3
Plegado ......................................................................................
66
3.1.4
Estiramiento profundo ..............................................................
67
3.2 Soldadura ...............................................................................................
68
3.2.1
Soldadura por fusión ................................................................
68
3.2.2
Soldadura por resistencia ........................................................
70
3.3 Bulones, Remaches y Tornillos ...........................................................
70
3.4 Unión por adhesivos .............................................................................
71
4 INSPECCIÓN ..................................................................................................
72
5 ACABADO .......................................................................................................
73
6 RESUMEN FINAL ...........................................................................................
74
7 BIBLIOGRAFÍA ...............................................................................................
74
DIAPOSITIVAS COMPLEMENTARIAS ..........................................................
75
III
ESDEP TOMO 22
ACERO INOXIDABLE
Lección 22.1: Introducción al Acero Inoxidable
1
OBJETIVOS/ALCANCE
OBJETIVOS/CONTENIDO
Proporcionar una visión general de los
aspectos básicos de los aceros inoxidables.
Facilitar información práctica como introducción
a las lecciones subsiguientes.
LECCIONES AFINES
Lección 22.2: Comportamiento y Proyecto
Estructurales
Lección 22.3: Corrosión de Acero Inoxidable
Lección 22.4: Fabricación
RESUMEN
Se proporciona una breve visión histórica
del desarrollo de los aceros inoxidables. Se faci-
litan antecedentes sobre la composición, las propiedades del acero y las diferencias respecto al
acero al carbono.
Se presenta una visión general de los
aceros inoxidables agrupándolos en familias de
acuerdo con su estructura metalúrgica.
La lección continúa facilitando información práctica sobre las designaciones de las aleaciones en los diferentes sistemas utilizados, tornillos y tuercas, distinguiendo los diferentes
aceros inoxidables, las razones de su utilización,
las formas de productos disponibles y los acabados de superficie.
Se señalan las aplicaciones típicas para
ilustrar el uso del acero inoxidable en la construcción en acero.
3
1.
INTRODUCCIÓN AL ACERO
INOXIDABLE
Los aceros inoxidables son materiales
modernos. Desde que empezaron a estar disponibles para la industria, su uso se ha extendido
constantemente hacia nuevas aplicaciones. Este
proceso continúa incluso hoy.
Para utilizar con éxito los aceros inoxidables en aplicaciones de construcción, es necesario conocer sus propiedades, sus capacidades
en relación con la resistencia a la corrosión, la
disponibilidad de formas de productos y acabados de superficie. Interesa asimismo conocer las
aplicaciones de referencia que demuestran el
éxito de la elección de los aceros inoxidables
hace ya muchos años.
Esta lección está diseñada para proporcionar una visión general de los aceros inoxidables, sus propiedades y las formas de productos disponibles que, junto con las lecciones
subsiguientes, permitirán utilizarlos con éxito
en proyectos de una forma efectiva en cuanto a
costes, en términos de resistencia a la corrosión, mantenimiento y durabilidad. Los aceros
inoxidables respetan el medio-ambiente; de
forma activa y pasiva, ayudan a mantenerlo
4
limpio y se reciclan en un alto porcentaje (50 70 %).
El trabajo de taller del acero inoxidable es
un arte tecnológico que requiere competencia y
equipamiento especial a fin de mantener los elementos críticos dentro de unos límites especificados. Los aceros inoxidables contienen cantidades
substanciales de elementos costosos como
cromo, níquel, molibdeno, etc., que justifican su
alto coste, de aproximadamente cinco veces el del
acero al carbono. Sin embargo, los costes de
material representan sólo una parte del coste total
de una estructura. Un buen proyecto aprovechará
las propiedades de los aceros inoxidables y el
resultado de ello será una solución efectiva en
cuanto a costes, lo cual podrá demostrarse
mediante cálculos de costes de ciclo vital.
En un enfoque actualizado del diseño se
consideran los efectos del mantenimiento, las
reparaciones periódicas, las sustituciones y
inmovilizaciones, además de los aspectos
medioambientales.
El resultado de una estructura de acero
inoxidable diseñada sobre la base de un proyecto en acero al carbono será casi seguro una
solución insatisfactoria.
HISTORIA
2.
HISTORIA
Desde hace unos 200 años se sabe que
cantidades pequeñas de cromo aleadas al
acero común mejoran su resistencia a la corrosión en el aire y en el agua y que si se incrementan las cantidades de cromo, dicha resistencia aumenta. Estas investigaciones fueron
realizadas en 1821 por Berthier (1) en Francia.
Sin embargo, estos conocimientos no podían
utilizarse en la fabricación de acero debido a las
limitaciones tecnológicas. En aquel momento
resultaba imposible reducir el alto contenido de
carbono de las coladas a niveles suficientemente bajos o controlar el contenido de cromo. El
contenido de cromo era siempre demasiado
bajo o demasiado alto. Un alto contenido de carbono y/o cromo producía aleaciones frágiles y
un bajo contenido de cromo producía una resistencia a la corrosión insuficiente.
Con el cambio de siglo, muchos investigadores trabajaron con estas aleaciones y publicaron sus trabajos. Goldschmidt (1), en
Alemania, descubrió un método de producir
ferro-cromo con un contenido muy bajo de carbono. Sobre la base de este descubrimiento,
entre 1904 y 1909, A. Portevien y L. Guillet en
Francia y W. Giesen en Alemania publicaron los
resultados de sus investigaciones en aceros al
cromo martensíticos al 13% y ferríticos al 17%.
En 1909 L. Guillet presentó un estudio sobre
aceros de cromo-níquel con una estructura austenítica.
Estas aleaciones ya eran similares a las
actuales y a las tres principales familias metalúrgicas de los aceros inoxidables, esto es, los aceros martensíticos (endurecibles mediante tratamiento térmico), los ferríticos (no endurecibles) y
los austeníticos (no endurecibles). Al mismo
tiempo, P. Monnartz definía en Alemania el papel
de la pasividad en la resistencia a la corrosión
(1). Estas investigaciones se realizaban en laboratorios y, de 1910 a 1915, se llevaron a cabo
intentos para desarrollar la producción práctica a
gran escala de los aceros inoxidables. Este trabajo suponía fundir las aleaciones en cantidades
mayores, convirtiendo los lingotes en formas
semiacabadas y fabricando equipamiento a partir de éstas. Aunque había muchos investigadores empeñados en el desarrollo de los primeros
aceros inoxidables, por lo general se considera
que los mayores avances y contribuciones al arte
se debieron a los siguientes metalúrgicos (1):
• Brearly en Inglaterra, con los aceros martensíticos.
• Dansitzen y Becket en EEUU, con los aceros ferríticos.
• Maurer y Strauss en Alemania, con los aceros austeníticos.
5
3.
¿QUÉ ES EL ACERO
INOXIDABLE?
El acero común se compone de hierro
(Fe) con algunos otros elementos derivados
de la fabricación del acero como el carbono
(C), el manganeso (Mn), el silicio (Si), el fósforo (P) y el azufre (S). Un acero al carbono típico sin alear utilizado en la construcción tiene
la siguiente composición química (en % del
C
Mn
Si
P
S
Fe
0,17
0,60
0,25
0,045
0,045
> 98
peso):
Si se añade un mínimo de 11% de
cromo a este acero se obtiene un “acero inoxiC
Mn
Si
0,10
1,0
1,0
P
S
0,045 0,030
Cr
Fe
11
≤ 87
dable”. La composición química (de nuevo en
% del peso) pasa entonces a ser:
El hierro sigue siendo el elemento dominante, pero el añadido de cromo requiere también algunos cambios menores en el contenido de manganeso y silicio para facilitar la
fabricación del acero, así como de fósforo y
azufre. Estos dos últimos elementos son impurezas y tienen un efecto negativo en algunas
de las propiedades del acero, como la resistencia a la corrosión y la soldabilidad. Un
acero con un 11% de cromo representa la
forma más simple de un acero inoxidable. Su
resistencia a la corrosión es suficiente para
resistir en un entorno acuoso poco severo.
El añadido de cromo a un acero tiene
como resultado la formación de una capa delgada, estanca, adherente y dúctil de óxido de
cromo sobre la superficie del acero, siempre
que éste se exponga al aire o a otro entorno
oxidante. Puesto que esta capa confiere pasividad al acero, lo que significa que éste no se
corroe de forma activa, se la denomina tam-
6
bién capa pasiva. Es la responsable de la
capacidad del acero para resistir la corrosión.
El espesor de esta capa muy fina es del orden
de 1 - 10 mm (1 nanómetro = 10-9 m o
0,000001 mm). La capa pasiva no es inerte ni
tiene una composición o espesor determinados e invariables, sino que depende de la composición del acero, del tratamiento que se le
aplique a la superficie y del efecto corrosivo
del ambiente al que se expone. Si se producen
cambios en estas condiciones, la capa pasiva
se adapta por si misma.
También es posible que la capa pasiva
resulte dañada por herramientas durante el
trabajo de taller (fresado, rectificado, pulido,
perforación, roscado) o por accidente. En condiciones normales (en presencia de aire) la
capa pasiva se renueva por sí misma; es autorregenerable. Esta interesante capacidad del
acero inoxidable tiene una gran importancia
práctica, ya que no es necesario adoptar medidas especiales para renovar o reparar la capa
resistente a la corrosión.
Por su naturaleza, las pinturas que se
aplican para la protección contra la corrosión
de otros materiales no cubren totalmente las
superficies y son susceptibles de resultar
dañadas. Los daños en la pintura son generalmente el punto de inicio de la corrosión.
La familia de los aceros inoxidables comprende un gran número de diferentes aleaciones. Cada una de ellas se desarrolló para satisfacer necesidades específicas como una mayor
resistencia a la corrosión, una mejora de las
propiedades mecánicas como la resistencia,
dureza o ductilidad, estabilidad metalúrgica
bajo la influencia del calor de la soldadura y, en
casos especiales, la maquinabilidad. Puesto
que todos estos aceros contienen al menos un
11% de cromo, todos están protegidos por la
capa pasiva que se forma espontáneamente en
la superficie.
La designación de acero “antioxidante”
o “inoxidable” se remonta a los primeros años
del desarrollo metalúrgico. Significaba que
aquellas nuevas aleaciones de acero no pre-
¿QUÉ ES EL ACERO INOXIDABLE?
sentarían herrumbre ni se oxidarían al ser
expuestas a la atmósfera o al agua. Esta
designación se sigue utilizando ampliamente
en la actualidad pero puede confundir al diseñador poco informado. No es correcta una
interpretación mucho más amplia en el sentido
de que “los aceros inoxidables” son resistentes a cualquier entorno corrosivo que se pueda
concebir. No obstante, si se tiene presente
esta limitación, constituye una designación
muy práctica para la descripción global de
toda la familia de estos aceros.
7
4.
¿POR QUÉ UTILIZAR ACERO
INOXIDABLE?
4.1 Razones
Existen algunas razones importantes
por las que se utilizan ampliamente los aceros
inoxidables en estructuras. Estas razones
son:
• Excelente resistencia a la corrosión atmosférica
• Estética
• Aspectos higiénicos/limpieza
• Resistencia térmica
Resistencia térmica
Los aceros inoxidables son materiales
resistentes al calor. superan a cualquier otro
material estructural convencional en aplicaciones con presencia de fuego o altas temperaturas. Su uso está indicado en sistemas de emergencia en incendios, puertas corta-fuego,
cerramientos, cajas de cables, chimeneas, etc.
(Véase también el apartado 5.1).
4.2 Otras propiedades positivas
del acero inoxidable
Existen varias propiedades ventajosas
que pueden utilizarse en ciertas aplicaciones:
Resistencia a la corrosión atmosférica y
durabilidad
• resistencia
Los aceros inoxidables austeníticos tienen un largo historial de aplicaciones con éxito
en la industria de la construcción. Su excelente
resistencia a la corrosión es la razón principal de
sus bajos costes de mantenimiento y su excelente durabilidad. Estas propiedades son cada
vez más importantes en cualquier proyecto de
construcción.
• facilidad de trabajo en taller
Estética
La superficie de los aceros inoxidables
puede obtenerse en numerosas clases diferentes tales como pulido especular, brillante con
diferentes grados de rugosidad, cepillado, laminado en frío, arenado, texturado y coloreado en
rollo. El acero inoxidable combina estéticamente
con cualquier otro material sin dominarlo y manteniendo su elegancia intemporal, especialmente
cuando se utilizan elementos esbeltos (pero
fuertes).
Aspectos Higiénicos y Limpieza
El acero inoxidable tiene una superficie
dura, lisa y uniforme totalmente apropiada para
aplicaciones exigentes en las que la higiene y la
limpieza son importantes. Por estas razones
tiene muchos usos en hospitales, laboratorios,
baños y piscinas.
8
• alta absorción de energía
• costes de ciclo vital favorables
• reciclaje y protección del medio-ambiente
Resistencia
Los aceros inoxidables tienen unas propiedades mecánicas muy interesantes que pueden modificarse dentro de límites amplios debido
a su respuesta al trabajo en frío. Los proyectos
en los que se hace un buen uso de las ventajosas propiedades mecánicas resultan eficientes
en cuanto a costes.
Alta absorción de energía
Los aceros inoxidables austeníticos son
tenaces y dúctiles, con el resultado de una deformación plástica excepcionalmente alta antes de
la rotura. Estas propiedades pueden ser importantes en barreras de seguridad, paredes contra
explosiones y estructuras antisísmicas de edificios.
Facilidad de trabajo en taller
Los aceros inoxidables pueden trabajarse
en taller igual que los materiales metálicos convencionales. Se pueden cizallar, cortar, aserrar,
¿POR QUÉ UTILIZAR ACERO INOXIDABLE?
doblar, estirar, conformar en rollo, perforar, desmenuzar, soldar, extruir, fresar y pulir.
Costes de ciclo vital favorables
Se ha comprobado a menudo que el uso
de aceros inoxidables tiene como resultado costes de ciclo vital favorables en los que se tienen
en cuenta todos los costes relacionados a lo
largo de la vida útil prevista de una aplicación.
Los cálculos de costes de ciclo vital son cada vez
más importantes en vista de los altos costes de
mantenimiento, paralizaciones, demolición y sustitución de equipos y piezas. En los cálculos de
costes de ciclo vital se incluyen conceptos tales
como los costes de instalación inicial, los costes
de mantenimiento, los costes de las inmovilizaciones, los costes de reparación y sustitución,
los intereses y el efecto de la inflación.
Reciclaje y protección del medio-ambiente
No es muy conocido el hecho de que el
reciclaje del acero inoxidable ya ha experimenta-
do un alto grado de desarrollo. Dependiendo de
las condiciones económicas, se recicla entre un
50% y un 80%, porcentaje que no se alcanza
con la mayoría de los demás materiales. Una
razón de este aspecto favorable es el hecho de
que la chatarra de acero inoxidable es un bien
valioso que se puede vender en cualquier
momento.
El reciclaje incluye el almacenamiento, el
transporte y la manipulación en diferentes lugares. El acero inoxidable, debido a su resistencia
a la corrosión, no tiene ningún efecto sobre el
medio-ambiente, incluso si se deja expuesto a la
intemperie durante años.
El acero inoxidable desempeña asimismo un papel activo importante en la protección del medio-ambiente. Se utiliza ampliamente en los sistemas de escape de los
vehículos y en los convertidores catalíticos,
en las plantas de depuración de aguas residuales, chimeneas, depuración de humos y
otras aplicaciones.
9
5.
TIPOS DE ACERO
INOXIDABLE
Resulta práctico agrupar los numerosos
aceros inoxidables diferentes de acuerdo con su
estructura metalúrgica. Sobre esta base, pueden
distinguirse los grupos siguientes:
• Aceros inoxidables martensíticos
• Aceros inoxidables ferríticos
• Aceros inoxidables austeníticos
• Aceros inoxidables austeníticos/ferríticos
(Dúplex)
• Aceros inoxidables de endurecimiento por
precipitación
5.1 Aceros inoxidables
austeníticos
La resistencia a la corrosión favorable de
los aceros inoxidables austeníticos debido a su
contenido de cromo se combina con las propiedades mecánicas favorables (buena ductilidad y resistencia) y la buena soldabilidad debida a un cierto contenido de níquel (véase la
figura 1).
Los aceros inoxidables austeníticos contienen cromo (17%), níquel (8 - 17%) y tienen un
bajo contenido de carbono (generalmente
menos del 0,10%).
En la figura 1 se muestra una visión general gráfica de estos grupos en relación con el
contenido de cromo y níquel.
Pueden contener otros elementos como
molibdeno (2 - 6%), titanio o niobio a fin de estabilizar la estructura, así como azufre, que se
añade para mejorar la maquinabilidad.
En aplicaciones estructurales predomina
el uso de las clases austeníticas.
La composición química de un acero inoxidable austenítico típico es:
C ≤ 0,10%
Cr = 16,5 - 18,5%
Ni = 10,5 - 13,5%
Mo = 2,0 - 2,5%
Ti ≥ 5 x % C
Los aceros inoxidables austeníticos en su estado más resistente a la corrosión (recocido por
solubilización) no son magnéticos.
Para una mayor resistencia pueden trabajarse en frío mediante
laminación, plegado, prensado,
etc., lo que puede hacerlos ligeramente magnéticos. Son fácilmente
soldables.
Figura 1 Tipos de acero inoxidable
10
Sus aplicaciones típicas
son en arquitectura, cubiertas,
piezas de unión, procesamiento
de alimentos, industria química y
farmacéutica, hospitales, usos
médicos, transporte, vivienda,
chimeneas, industria papelera,
TIPOS DE ACERO INOXIDABLE
Mínimo
0,2 %
límite elástico
[N/mm2]
Material
*1.4301
1.4541
1.4401
1.4571
**X 5 CrNi 18 10
X 6 CrNiTi 18 10
X 5 CrNiMo 17 12 2
X 6 CrNiMo 17 12 2
Recocido por
solubilización
1.4301
K 700
X 5 CrNi 18 10
K 700
350
1.4541
K 700
X 6 CrNiTi 18 10
K 700
350
1.4401
K 700
X 5 CrNiMo 17 12 2
K 700
1.4571
K 700
X 6 XrNiMo 17 12 2
K 700
Conformado
en frío según
nivel de
resistencia
indicado
195
200
205
210
350
350
** Sistema de número de material
* Sistema abreviado de designación.
Tabla 1. Las propiedades materiales del acero inoxidable austenítico, DIN
instalaciones nucleares, cajas y correas de
relojes, etc.
El proceso de trabajo en frío influye en
gran medida en el comportamiento mecánico del
acero inoxidable austenítico. En la tabla 1 se facilitan datos de los aceros típicos y en la figura 2
se muestra un diagrama de tensiones-deformaciones. Se muestra asimismo la diferencia significativa del módulo de Young.
5.2 Otras Aleaciones Inoxidables
De acuerdo con sus propiedades específicas, se utilizan varios aceros inoxidables en
aplicaciones especiales. En algunos casos pueden también utilizarse en estructuras de edificios. Éstos aceros son:
• aceros inoxidables martensíticos
• aceros inoxidables ferríticos
• aceros inoxidables austeníticos/ferríticos
• aceros inoxidables de endurecimiento por
precipitación
Aceros inoxidables martensíticos
Este acero contiene entre un 12% y un
18% de cromo y entre un 0,12% y un 0,9% de carbono. Debido a la presencia de mayores contenidos de carbono, pueden endurecerse. Algunos de
estos aceros contienen cantidades modestas de
níquel (hasta 2,5%) y molibdeno (hasta 0,6%)
para mejorar su resistencia a la corrosión.
También se pueden añadir otros elementos como
titanio, vanadio y niobio. Un alto contenido de carbono reduce la resistencia a la corrosión.
Los aceros inoxidables martensíticos son
magnéticos y, por regla general, no se sueldan.
Típicamente se utilizan en ingeniería
mecánica para ejes de bombas, válvulas, matri-
11
Tensión (N/mm2)
Los aceros ferríticos son magnéticos. Con
las debidas precauciones
pueden soldarse.
Se utilizan típicamente en sistemas de
escape de vehículos, contenedores, depósitos de
agua caliente, lava vajillas, lavadoras, utensilios
de cocina.
Aceros
inoxidables
austeníticos/ferríticos
(Aceros dúplex)
Los aceros inoxidables dúplex tienen un
alto contenido de cromo
(20 - 25%), un bajo contenido de níquel (5-9%),
un contenido variable de
molibdeno (0,2-3%) y un
bajo contenido de carboFigura 2 Relación entre tensión y deformación unitaria en aceros ordinarios e inoxidables no (menos de 0,06%).
Contienen nitrógeno en
cantidades de 0,07-0,20% para incrementar la
ces, palas de turbinas y cojinetes de rodillos.
resistencia y estabilizar la doble estructura, y a
Otra área de aplicación es la vivienda y las hojas
veces hasta un 2,5% de cobre.
de cuchillas industriales.
Aceros inoxidables ferríticos
Los aceros inoxidables ferríticos contienen entre un 12% y un 18% de cromo, al igual
que los aceros inoxidables martensíticos, pero
por lo general su contenido de carbono es inferior al 0,08%, aunque en ocasiones puede ser de
hasta un 0,15%. Existen aceros ferríticos especiales con un contenido de cromo de hasta un
29%.
Estos aceros pueden contener otros elementos tales como molibdeno (hasta 1,2%), titanio o niobio (estos dos elementos se utilizan para
estabilizar su estructura) y azufre, que se añade
para mejorar la maquinabilidad. Para obtener
una mayor resistencia se añade nitrógeno en
cantidades pequeñas, entre un 0,10% y un
0,30%.
12
Los aceros inoxidables dúplex son magnéticos y se pueden soldar con las debidas precauciones.
Se utilizan típicamente en las industrias
papelera, química, petrolífera y de la construcción.
Aceros inoxidables de endurecimiento por
precipitación
Los aceros inoxidables austeníticos recocidos por solubilización tienen un límite elástico muy
modesto de 0,2%. Por otra parte, su resistencia a
la corrosión y ductilidad (dureza) son máximas. En
los últimos 50 años ha habido muchos intentos de
combinar una alta resistencia mecánica con una
buena resistencia a la corrosión. El compromiso
entre estas propiedades opuestas ha dado como
resultado varios aceros inoxidables de endureci-
Tensión de fluencia (N/mm2)
TIPOS DE ACERO INOXIDABLE
Figura 3 Relación entre tensión de fluencia y temperatura
miento por precipitación. Sin embargo, la selección
de una aleación apropiada para una aplicación
determinada requiere una gran experiencia por
parte del productor y del usuario.
Las altas propiedades mecánicas se
obtienen mediante un tratamiento térmico
estrechamente controlado que produce un
incremento de la dureza, un mayor límite elástico y una mayor resistencia a la rotura por
tracción, así como una
mayor resistencia a la
fatiga.
Los aceros inoxidables martensíticos y
semiausteníticos de endurecimiento por precipitación son magnéticos. Los
aceros austeníticos no
son magnéticos.
Los aceros inoxidables de endurecimiento por precipitación se
pueden soldar siempre
que se utilicen los procedimientos adecuados.
Las aleaciones con un
alto contenido de fósforo
son difíciles de soldar.
Se utilizan típicamente en aplicaciones
aeronáuticas y espaciales, piezas de turbinas,
motores y compresores, muelles resistentes a la
corrosión, misiles, recipientes a presión y piezas
sometidas a grandes esfuerzos en instalaciones
de investigación.
13
6.
C = Alto en carbono
DESIGNACIÓN DE LOS
ACEROS INOXIDABLES
B = Más bajo en carbono que C
A = Más bajo en carbono que B
Existen varias alternativas para designar
a los aceros inoxidables. Se mencionan aquí porque se las encuentra a menudo en las descripciones técnicas.
6.1 Sistema Descriptivo
Este sistema emplea los elementos añadidos a los aceros. Resulta complicado con los
aceros más aleados, ya que las designaciones
se hacen largas. Se hace referencia a los elementos en orden descendente del peso contenido. Así pues, tenemos:
• Aceros inoxidables al cromo
• Aceros inoxidables al cromo-níquel
• Aceros inoxidables al cromo-níquel-molibdeno
F = Maquinado libre (alto contenido de
azufre)
Cb = Colombio = Niobio Nb
Así pues, acero inoxidable 304LN significa que es un acero austenítico con bajo contenido de carbono (0,03% como máximo) y nitrógeno. Los contenidos nominales de cromo y níquel
son 18 - 20% y 8 - 12% respectivamente.
Las series 200 y 300 se reservan para los
aceros austeníticos, la serie 400 para los aceros
martensíticos y ferríticos y la serie 600 para los
aceros de endurecimiento por precipitación.
La composición química exacta y las propiedades de un acero deben consultarse en la
norma. Algunas designaciones típicas son:
Tipo 201: C
En el caso de un acero bajo en carbono o
de un acero estabilizado con titanio, diríamos:
Mn = 5,5 - 7,5%
Cr = 16 - 18%
• Acero inoxidable al cromo-níquel-molibdeno bajo en carbono.
Ni = 3,5 - 5,5%
• Acero inoxidable al cromo-níquel-titanio.
La ventaja de este sistema es que incluso
un lector no muy informado entiende fácilmente
de qué clase de acero se trata. Para una descripción más exacta sería necesario añadir el
contenido de cada elemento en % de peso.
6.2 Sistema AISI
El sistema introducido por el American
Iron and Steel Institute (AISI) se utiliza en general en todo el mundo. Define cada clase de acero
con un número y, si es necesario, con una letra
adicional. A continuación se indican algunos
ejemplos:
L = Bajo en carbono
N = Nitrógeno
Se = Selenio
Ti = Titanio
14
= 0,15% máximo
Tipo 304: C
= 0,08% máximo
Cr = 18 - 20%
Ni = 8 - 10,5%
6.3 Sistema de Número
de Material (Nº Werkstoff)
Este sistema alemán se utiliza ampliamente también en otros países. Cada designación consiste en 5 números y los detalles de
composición y las propiedades de los aceros
deben consultarse en la norma. Por ejemplo, el
número de material 1.4306 se considerará:
El primer dígito es 1 e indica que es un
acero.
Los dos dígitos siguientes “43” significan
“aceros químicamente resistentes sin molibdeno,
niobio ni titanio”
DESIGNACIÓN DE LOS ACEROS INOXIDABLES
Los dos últimos dígitos “06” definen la aleación exacta.
Además de la designación “43”, existen
también las siguientes:
“40” sin molibdeno, niobio o titanio, con
menos del 2,5% de níquel
“41” con molibdeno, sin niobio ni titanio, con
menos del 2,5% de níquel
“44” sin molibdeno, sin niobio ni titanio, con
más del 2,5% de níquel
“45” con cobre, niobio o titanio, con más del
2,5% de níquel
Ni
significa níquel y 11 indica el contenido
en %.
Un acero X 2 Cr Ni 18 11 corresponde al
tipo AISI 304L y al número de material 1.4306.
6.5 Aplicación según las Normas
En la actualidad las normas nacionales
utilizan estos sistemas:
Sistema AISI:
– Normas Británicas (BSI)
– Normas Japonesas (JIS)
Un acero con el número de material 1.4306
tiene la composición siguiente:
C =
0,03% máximo
– Normas Italianas (UNI)
Cr =
18 - 20%
– Normas Alemanas (DIN)
Ni =
10 - 12,5%
– Normas Españolas (UNE)
Por lo tanto, corresponde al tipo de acero
inoxidable AISI 304L, aunque el límite inferior de
níquel es un 2% mayor.
6.4 Sistema abreviado
de designación
Este sistema se utiliza ampliamente en
varias normas. Consiste en una serie de
letras y números, como en los ejemplos
siguientes:
X 2 Cr Ni 18 11
X
significa que es un acero altamente
aleado
2
indica el contenido de carbono en
1/100º de un porcentaje, por ejemplo,
C = 0,02%
Cr
Sistema abreviado:
significa cromo y 18 es el contenido
en %
– EURONORM
– ISO/DR 2604/4
– Las Normas Francesas (AFNOR) utilizan
letras diferentes pero números similares (X
2 Cr Ni 18 11 = Z 2 CN 18 10)
Sistema de numeración:
– Números de material alemanes
– Normas suecas (SIS)
– ISO/DR 683/13 y DR 2604/1-75
(Los sistemas de numeración sueco y de
las normas ISO no se explican en esta lección)
En vista de esta situación bastante confusa, se espera que en un futuro próximo prevalecerán sólo s2 sistemas:
• EURONORM utilizando el sistema abreviado y
• El Sistema Unificado de Numeración (UNS)
basado en el sistema AISI.
15
7.
TRABAJO DE TALLER
Y PRODUCTOS
7.1 Formas de los Productos
Para aplicaciones especiales, muchas de
las aleaciones de acero inoxidable están disponibles en forma de pieza colada o forjada. Las
piezas más pequeñas pueden producirse por
pulvimetalurgia pero, con diferencia, lo que más
se utiliza son las formas siguientes de productos
forjados que se encuentran disponibles:
miento térmico. Pueden obtenerse mayores niveles de resistencia mediante el trabajo en frío, por
ejemplo laminación en frío, conformación en
rodillo y plegado en prensa de embutido.
Típicamente, un 15% de trabajo en frío duplica el
límite elástico del 2%. Se puede encargar material conforme a niveles de resistencia especificados. El material trabajado en frío puede tener
una resistencia a la corrosión ligeramente reducida.
Para más detalles, consultar la lección
22.4, Trabajo de taller y montaje.
• Planchas, laminadas en caliente
• Chapa, lámina y tira, laminadas en frío
• Tubos sin juntas (sólo redondos)
• Tubos soldados (redondos, cuadrados, rectangulares)
• Barras, laminadas en caliente (redondas,
cuadradas, rectangulares)
• Barras, laminadas en frío (redondas, cuadradas, rectangulares)
• Barras huecas, laminadas en caliente
(redondas)
• Ejes, estirados en frío o rectificados (redondos)
• Barras y alambres, estirados en frío (redondos)
• Barras para armadura de hormigón (planas/redondas)
• Barras para armadura de hormigón (con
aletas)
• Redes para refuerzo de hormigón
• Piezas de unión (tornillos, tuercas, arandelas, pernos de anclaje, etc.)
• Las secciones están disponibles en forma
de extrusión, pero resulta más económico
conformarlas en frío en la prensa de embutir o mediante rodillo.
7.2 Trabajo en Frío
La resistencia de los aceros inoxidables
austeníticos no puede mejorarse mediante trata-
16
7.3 Soldabilidad
Los aceros inoxidables austeníticos pueden soldarse con todos los métodos de soldadura conocidos, pero se aplican las restricciones de
los demás grupos metalúrgicos. Cualquiera que
sea la clase del acero inoxidable que se deba
soldar, es necesario seleccionar el método más
efectivo en cuanto a costes.
Los aceros inoxidables para aplicaciones estructurales se seleccionan principalmente por sus propiedades de resistencia a la
corrosión. Hay que asegurarse de que la soldadura se ajusta a las propiedades del material
de base.
Los aceros austeníticos pueden soldarse
al acero al carbono estructural observando las
debidas precauciones.
Para más detalles, consultar la lección
22.4, Trabajo de taller y montaje.
7.4 Acabados
Hay disponibles numerosos acabados
para las superficies de las piezas de acero inoxidable, lo que proporciona al arquitecto/ingeniero
una amplia gama de efectos. La chapa laminada
en frío, la tira, los tubos y las barras pueden obtenerse con los acabados siguientes:
• pulido especular
TRABAJO DE TALLER Y PRODUCTOS
• brillante con diferentes grados de rugosidad, desde muy fina hasta basta
• cepillado
• mate (decapado o chorreado con grava)
• bruto de laminación.
Además, puede obtenerse chapa en un
gran número de superficies dibujadas y texturadas, producidas por laminación.
Las superficies de acero inoxidable pueden colorearse mediante procesos especiales.
17
8.
TORNILLOS Y TUERCAS
Los tornillos, bulones y tuercas fabricados
con diferentes clases de acero inoxidable están
agrupados en la norma ISO 3506 de acuerdo
con las tres estructuras metalúrgicas siguientes:
• (A) Piezas austeníticas
• (F) Piezas ferríticas
• (c) Piezas martensíticas
Existen grupos de aceros que se identifican con las abreviaturas siguientes:
• 500 N/mm2 abreviado como “50”. El estado
de la aleación es “dulce” tal como se obtiene por tratamiento de endurecimiento por
precipitación, con el resultado de una
mayor resistencia a la corrosión.
• 700 N/mm2 abreviado como “70”. El estado
de la aleación está moderadamente trabajado en frío y la resistencia a la corrosión
puede reducirse en alguna medida. Esta
clase de resistencia es estándar y corresponde a la clase comercial más común.
Las existencias de los proveedores se
basan en esta clase de resistencia y la selección
disponible es la más amplia.
• A1, A2 y A4, aceros austeníticos
• F1, aceros ferríticos
• C1, C3 y C4, aceros martensíticos.
Para aplicaciones estructurales sólo deben
utilizarse A2 y A4, ya que el resto de los grupos
tienen una menor resistencia a la corrosión.
Los tornillos A2 y A4 pueden obtenerse en
3 grados de resistencia a la rotura por tracción:
• 800 N/mm2 abreviado como “80”. El estado
de la aleación está altamente trabajado en
frío y su resistencia a la corrosión puede
reducirse en comparación con la clase de
resistencia 70. Las posibilidades de suministro a partir de las existencias son reducidas.
Tornillos
Clase
del material
Clase
Propiedad
clase
Gama de
diámetro
Tensión a
0,2%
deformación
Resistencia a
la tracción1)
fu
permanente1
fyb
(N/mm2)
(N/mm2)
50
≤ M39
210
500
A2, A4
70
M202)
≤
> M20
a ≤ M30
450
250
700
500
A2, A4
80
≤ M202)
600
800
A1, A2, A4
Austenítico
Nota: Valores especificados para mínimos.
1)
Todos los valores están calculados y relacionados con la sección transversal en tensión de la
rosca.
2)
En las clases de propiedades 70 y 80, los valores deben convenirse con el montador para
longitudes superiores a 8 diámetros o para tamaños mayores que M30 y M20 respectivamente.
Tabla 2. Propiedades mecánicas de las piezas de unión fabricadas con aceros inoxidables austeníticos (ISO 3506)
18
TORNILLOS Y TUERCAS
Identificación del montador
A
2
–
70
Designación corta del material:
A = Acero austenítico al cromo-níquel (molibdeno)
Designación corta del grupo de acero:
1 = Acero maquinable con azufre
2 = Acero al cromo-níquel
3 = Acero al cromo-níquel-molibdeno
Designación corta del grupo de resistencia:
50 = 500 N/mm2
70 = 700 N/mm2
80 = 800 N/mm2
Tabla 3. Marcado de tornillos y tuercas
En la tabla 2 se proporciona una visión
general de las propiedades mecánicas de estos
tornillos.
Las tuercas sin indicación de una clase de
resistencia corresponden a la clase “80”, por
ejemplo, la clase más alta. Las clases de resistencia de “70” y “50” sólo van marcadas en las
tuercas si las pruebas de resistencia indican que
no corresponden a la clase más alta.
Sin excepción, los pernos deben tener
roscas laminadas, ya que las roscas cortadas o
moleteadas tienen una mayor tendencia a rayarse, lo que puede reducir la resistencia de una
unión. Los tornillos de acero inoxidable deben
montarse siempre con un lubricante adecuado,
ya que la resistencia a la fricción entre dos piezas de acero inoxidable es mucho mayor en
comparación con la de los tornillos de acero al
carbono.
Las designaciones de los tornillos conforme a ISO 3506 (tornillos de cabeza hexagonal y
de cabeza hueca) deben ir marcadas a partir del
tamaño M5 y superiores, según la tabla 3.
19
9.
APLICACIONES TÍPICAS
5.
Construido en 1977
En la tabla 4 se relacionan las aplicaciones estructurales de los aceros inoxidables. A
continuación se indican algunos ejemplos de
aplicaciones importantes en las que se han utilizado productos de acero inoxidable.
1.
2.
Planetario, Stuttgart
Edificio de Chrysler, Nueva York
La cubierta, con un peso total de 870 toneladas, es soportada por una estructura tipo
araña con 6 patas diseñadas como cerchas
y hechas de tubos. Como material se escogió el tipo AISI 316.
Construido en 1926 - 1929
Arquitecto: Wilfred Beck-Erlang
Toda la aguja hasta la primera plataforma
está cubierta de acero inoxidable tipo AISI
304. En 1961 se procedió a su limpieza y se
comprobó que se encontraba en perfecto
estado, a pesar de la agresividad de la
atmósfera de Nueva York y la proximidad
del mar.
Ingeniero de estructuras: Ing. Büro Pieckert
Fotos: Beck-Erlang, Baacke.
6.
Detalle de uno de los 42 puntos de suspensión para la cubierta del planetario de la
estructura descrita en el punto 5, más arriba.
Iglesia de Vimodrone, Italia
Construida en 1990 - 1991
Planetario, Stuttgart
7.
Emparrillado del piso
Emparrillado de piso antideslizante hecho
de acero inoxidable tipo AISI 304 o 316 utilizado en las industrias química, farmacéutica, procesamiento de alimentos y bebidas y
revestimientos de chapa.
La cubierta de la iglesia, una membrana de
hormigón armado, está parcialmente soportada por dos péndolas de 70 mm de diámetro y 18 m de longitud. Como material se
seleccionó acero inoxidable del tipo AISI
316N.
8.
Eurotunel
Arquitecto: Guglielmo Giani
720,000 segmentos prefabricados de hormigón para el revestimiento interior del túnel
se dotaron de fijaciones de acero inoxidable
tipo AISI 304 para su transporte, manipulación y colocación en el interior del túnel.
Ingenieros de estructuras: Antonio Migliacci
y Danilo Campagna
3.
Iglesia de Vimodrone, Italia
Fijación de una péndola a la cubierta de
hormigón de la iglesia descrita en el punto
2, más arriba.
4.
Chimenea autoestable aislada construida en acero inoxidable
9.
Torre, Italia
Torre para publicidad de 22 m de altura en
Calbusera, en una zona industrial de Milán,
Italia. La torre está recubierta con 500 m2
de chapas de acero inoxidable tipo AISI 316
de color azul oscuro.
Exterior: Tipo AISI 304 o 316
Interior: Tipo AISI 321, 316 o 317
20
Proyecto: Giovanni Baroni,
Genghini y Massimo Pellacini
Gerardo
APLICACIONES TÍPICAS
APLICACIÓN
GENÉRICA
APLICACIÓN ESPECÍFICA
FORMAS
PRODUCTOS
Estructuras reticulares
•
•
•
•
puentes para peatones
cerchas
estructura trid. (cubiertas)
mástiles transmisión energía
Secciones
conformadas en
frío, tubulares y
secciones huecas
Estructuras revestidas
•
•
•
•
•
revestimiento de cubiertas y paredes
revestimientos resistentes
salas de control
contenedores de transporte
carrocerías de camiones/coches
Chapa y secciones
laminadas en
caliente
Estructuras columnares
•
•
•
•
pilares de alumbrado mástil alto
postes telefónicos
chimeneas
mobiliario urbano
Chapa o plancha
conformada en
frío, tubulares
Estructuras generales
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
cajas escalera/torres escalera
pasarelas
barandillas/balaustradas
balcones
pórticos elevados
enrejado
rejas giratorias
cobertizos para autobuses
accesorios de piscinas
guías de ascensores exteriores
silos/búnkers/rampas/tolvas
componentes de climatización
carriles de rodadura de talleres
de pintura
Secciones
conformadas en
frío, chapa,
tubulares y
secciones huecas
Pórticos de edificios
• estructuras resistentes a seísmos
Secciones
laminadas en
caliente
Componetes
preformados
• muros resistentes a explosiones
• planchas de piso
• cajas de cables
• bocas ventilación con persiana
• barras para lucernarios
• pantallas térmicas
• accesorios de edificios (angulares
de estantes, dinteles, barra
refuerzo, fijaciones, etc.).
Chapa, plancha,
barra y extrusiones
Tabla 4. Relación de aplicaciones estructurales
21
10.
RESUMEN FINAL
1. Para aplicaciones estructurales predomina
el uso de las clases austeníticas de acero
inoxidable, aunque las clases Dúplex
registrarán rápidos avances en un futuro
próximo.
2. A pesar de unos costes iniciales más altos,
las estructuras de acero inoxidable resultan a menudo la solución más económica.
Esta economía puede demostrarse
mediante cálculos de costes de ciclo de
vida a medida que los propietarios de
estructuras se van interesando en los costes totales durante toda la vida útil de las
estructuras.
3. Las estructuras de acero inoxidable económicas deben diseñarse sobre la base de
las propiedades específicas de los aceros
inoxidables.
4. Los mayores niveles de resistencia que se
obtienen mediante la conformación en frío
permiten reducir costes. Además, no es
necesario prever ningún margen para la
corrosión o protección.
5. La ventaja dominante de los aceros inoxidables es su resistencia a la corrosión,
como resultado de la cual no es necesario
ningún sistema de protección, el mantenimiento es escaso o nulo a lo largo de toda
la vida útil y se eliminan los costes e inconvenientes de las reparaciones, paralizaciones y sustituciones.
22
11.
BIBLIOGRAFÍA
1. Les Aciers Inoxydables (1990), Les éditions
de physique, F-91944 Les Ulis/Cédex A/France,
ISBN 2-86883-142-7.
2. AISI Publication No. 9014, Design Guidelines
for the Selection and Use of Stainless Steel.
3. Eurocode 3, Part 1, Annex S - The use of
stainless steels, Draft, April 1992.
4. Zulassung Nichtrostende Stähle, Institute für
Bautechnik, Berlin, Feh. 1989.0
ESDEP TOMO 22
ACERO INOXIDABLE
Lección 22.2: Comportamiento y Proyecto
Estructurales
23
OBJETIVOS/CONTENIDO
OBJETIVOS/CONTENIDO
RESUMEN
Comentar el comportamiento mecánico
del acero inoxidable y examinar las diferencias
que éste conlleva en el uso estructural de barras
compuestas de acero inoxidable y acero al carbono. También se tratan otros factores que el
proyectista debe considerar.
El proyectista de estructuras de acero inoxidable debe considerar atentamente la selección de la clase del material. Las clases austeníticas son apropiadas para la gran mayoría de las
aplicaciones. Se hará un mayor uso de los perfiles en frío abiertos, y los componentes soldados,
como perfiles laminados, pueden no estar disponibles o no resultar económicos. Las características no lineales y de endurecimiento del acero
inoxidable requieren el uso de curvas de cálculo
diferentes a las aplicables para el acero al carbono e introduce dificultades en el análisis plástico global. En comparación con las estructuras
de acero al carbono, los criterios de servicio son
más importantes con las estructuras de acero
inoxidable.
CONOCIMIENTOS PREVIOS
Lección 22.1: Introducción al Acero
Inoxidable
LECCIONES AFINES
Lección 22.3: Corrosión del Acero
Inoxidable
Lección 22.4: Fabricación
25
1.
INTRODUCCIÓN
El acero inoxidable se ha venido utilizando desde hace más de 50 años en la construcción, principalmente para fijaciones, métodos
de unión y revestimiento. Algunas industrias
como la nuclear, petroquímica, farmacéutica,
papelera y minera imponen a los materiales
unas exigencias más estrictas que las que se
cumplen en la construcción común. Estas exigencias están relacionadas con la durabilidad y
la resistencia a la corrosión. En muchos casos,
el acero inoxidable puede suponer una solución estructural libre de mantenimiento y eficaz
en relación a los costes. El acero inoxidable
puede asimismo proporcionar unas propiedades excepcionales de ductilidad, resistencia al
fuego y no magnetismo que pueden ser necesarias en circunstancias particulares. Además
de estas ventajas, el acero inoxidable puede
dar unas superficies extremadamente limpiables e higiénicas. Por lo tanto, encuentra un
amplio campo de aplicación en el procesamiento y elaboración de alimentos y en el área
sanitaria.
26
El acero inoxidable se utiliza, pues, como
material de construcción y a menudo debe resistir
cargas considerables. Es importante tener presente que la verificación de una estructura de acero
inoxidable requiere comprobaciones similares a
las que se realizan para las estructuras de acero al
carbono. Sin embargo, debido a las diferentes
características materiales entre el acero inoxidable
y el acero al carbono, las curvas de cálculo y las
formulaciones aplicables a cada material difieren.
En este punto cabe señalar que un
esfuerzo mayor en el proyecto puede normalmente justificarse para el acero inoxidable debido al mayor coste inicial de la materia prima.
Esto se aplica al proyecto de componentes (es
decir, barras y uniones) y, en el caso de estructuras en las que la estética es importante, a la
planificación inicial para reducir costosas operaciones de acabado. Por ejemplo, en el caso del
pasamanos de una barandilla, el hecho de ocultar las uniones a tope del pasamanos en las
barras montantes reduce considerablemente las
operaciones de soldadura y se obtiene un producto final muy mejorado.
CONSIDERACIONES PRELIMINARES
2.
CONSIDERACIONES
PRELIMINARES
2.1 Generalidades
Para el proyectista que no está familiarizado con el acero inoxidable [1], existen algunas
dificultades para su elección adecuada, por lo
que debe tenerse en cuenta lo siguiente:
i. Aparentemente existe una cantidad desconcertante de clases de acero inoxidable para escoger y pueden surgir confusiones adicionales por la existencia de
varios sistemas diferentes de designación vigentes en la actualidad. En la lección 22.1 se comentan estos sistemas
de designación y sus variantes.
ii. Existe la creencia errónea de que el
acero inoxidable no sufre corrosión,
mientras que, en ciertas circunstancias
adversas pude, de hecho, presentar coloración superficial o incluso un ataque
más grave. Este comportamiento pone
de relieve la necesidad de seleccionar
una clase apropiada de acero inoxidable.
iii. La gama de perfiles de acero inoxidable
producidos por laminación es menor que
la del acero al carbono, en particular
para las clases de acero inoxidable que
se especifican con menor frecuencia.
iv. Comparado con el acero al carbono, los
esfuerzos del proyectista con el acero
inoxidable se apoyan en mayor medida
en el éxito de las operaciones de trabajo de taller y, en definitiva, de si la estructura puede construirse. En particular,
esta consideración se aplica a las barras
y estructuras realizadas por soldadura.
2.2 Selección de la Clase
del Material
De los diversos grupos de acero inoxidable
(véase la lección 22.1) los más útiles para la construcción son los aceros austeníticos. Estos aceros
inoxidables ofrecen la mejor combinación de pro-
tección ante la corrosión, resistencia, conformabilidad, soldabilidad y economía. En ciertas circunstancias pueden considerarse los aceros dúplex
más altamente aleados, con su resistencia y su
protección ante la corrosión superiores, o los aceros ferríticos, más económicos pero con menor
resistencia a la corrosión.
Para seleccionar la clase de acero inoxidable más apropiada debe tenerse en cuenta lo
siguiente:
a. el entorno de la aplicación y el grado
de resistencia a la corrosión requerido.
b. la forma del trabajo de taller.
c. el acabado superficial.
d. la resistencia.
e. la disponibilidad de productos.
f. la economía.
2.3 Disponibilidad de Formas
Estructurales
El proyectista debe ser consciente de que
no todas las formas estructurales se encuentran
disponibles en todas las diferentes clases de acero
inoxidable. En particular, esto se aplica a perfiles
con los que puede resultar imposible obtener, por
ejemplo, una viga en I, en las clases utilizadas con
menor frecuencia. A continuación se da una breve
visión general de la disponibilidad de productos.
Chapas y Planchas
Estos productos están ampliamente disponibles en todas las clases. No obstante, pueden existir restricciones en clases particulares de
alta resistencia (como las clases dúplex) en
espesores muy finos debido, a la dificultad de
laminación en frío. Los productos de chapa y
plancha son el punto de partida para las formas
conformadas en frío o soldadas.
Productos Tubulares
Existe disponible una amplia variedad de
productos tubulares estirados y soldados en cla-
27
Barras
lares de hasta 50 mm x 50 mm x 3 mm) y solamente en una gama pequeña de calidades.
Estos productos tienen unas propiedades de
límite elástico muy altas debido al endurecimiento impartido durante el proceso de estiramiento.
Estos productos están ampliamente disponibles.
Productos Laminados en Frío/Curvados
en Frío
Extrusiones en Caliente
Estos productos se utilizan normalmente
como perfiles estructurales y se suministran en
todas las clases. Generalmente son más económicos que los perfiles producidos en caliente, los perfiles estirados en frío o los perfiles
trabajados en taller mediante soldadura. No
obstante, puesto que el trabajo del acero inoxidable lo endurece considerablemente, las cargas de conformación son mayores (aproximadamente un 50% en el caso de los aceros
austeníticos) que las de los perfiles de acero al
carbono geométricamente equivalentes. Como
resultado de ello, las longitudes de perfiles de
acero inoxidable que se pueden curvar en frío
son menores. A ello se une la capacidad de las
plegadoras. Por lo tanto, salvo en estructuras
pequeñas, existe una tendencia a utilizar más
las uniones a tope en el acero inoxidable que
en el acero al carbono. El proyectista debe
coordinar con el montador el establecimiento
de posibles limitaciones de longitud en una
fase temprana del proyecto.
ses especificadas frecuentemente, por ejemplo
304, 316, 304L y 316L, así como en clases que
se utilizan a menudo en tuberías, por ejemplo
algunas clases dúplex.
Las extrusiones en caliente puede resultar adecuadas para de grandes volúmenes de
perfiles de sección transversal compleja, por
ejemplo perfiles para acristalamiento. Debe buscarse más información.
Productos Laminados en Caliente
Existen para las clases más comunes,
hasta unas dimensiones máximas (altura o
anchura) de aproximadamente 300 mm. En algunos países europeos estos productos resultan
difíciles de obtener o son muy caros en comparación con sus equivalentes trabajados en taller
(conformados en frío o soldados).
Productos Estirados en Frío
En la actualidad sólo están disponibles
en tamaños muy pequeños, por ejemplo angu-
28
COMPORTAMIENTO MECÁNICO
3.
COMPORTAMIENTO
MECÁNICO
siempre) más no lineales a tracción
que a compresión. Este comportamiento no se produce necesariamente
en materiales que han sido trabajados
en frío.
3.1 Relaciones
Tensión/Deformación
c. Anisotropía
3.1.1 Comportamiento
tensión-deformación básico
Excepto quizá en el estado recocido,
el acero inoxidable presenta diferencias de comportamiento tensión-deformación en probetas de tracción alineadas paralela y transversalmente a la
dirección de laminado, es decir, es anisotrópico. En las clases austeníticas,
la resistencia de una probeta de tracción transversal tiende a ser menor
que la de una probeta de tracción longitudinal. Esta observación está reconocida en los reglamentos nacionales
e internacionales en los que normalmente se especifican probetas de tracción transversales para ensayos de
demostración.
El comportamiento tensión/deformación
del acero inoxidable difiere del acero al carbono
en varios aspectos:
a. No linealidad
La diferencia más importante entre el
acero inoxidable y el acero al carbono es
la forma del diagrama tensión-deformación. Mientras que el acero al carbono
presenta típicamente un comportamiento elástico lineal hasta el límite de fluencia y una meseta antes de alcanzar el
endurecimiento por deformación, el
acero inoxidable presenta una respuesta más redondeada, sin un límite de
fluencia bien definido (véase la figura 1).
Por lo tanto, los límites “de fluencia” del
acero inoxidable se indican generalmente en términos de una resistencia de prueba definida
para una deformación permanente desfasada particular (convencionalmente la
deformación 0,2%), tal como
se muestra en la figura 1.
Así pues, cuando se considera la no
linealidad, la asimetría y la anisotropía,
una descripción plena del comportamiento del material se caracteriza por
cuatro diagramas tensión-deformación.
σ
b. Asimetría del comportamiento a tracción y a compresión.
El acero inoxidable puede
presentar un comportamiento de tensión-deformación muy diferente a tracción y a compresión. En el
estado recocido, los diagramas tensión-deformación
tienden a ser (aunque no
ε
Figura 1 Curvas de tensión-deformación unitaria
29
3.1.2 Factores que afectan
al comportamiento
tensión-deformación
bono, el acero inoxidable está sujeto
a deformación de fluencia a temperatura ambiente [2]. En la figura 3 se
muestran algunos resultados para el
material 304. Esta faceta del comportamiento puede convertirse en una
consideración para el proyecto solamente cuando se aplican altos niveles de carga (es decir, cercanos al
límite previsto) durante periodos largos (medidos en meses y años). La
fluencia puede manifestarse por una
mayor flecha en las vigas. Si la flecha
a largo plazo es un problema, se
recomienda restringir las tensiones
de servicio producto de cargas a
largo plazo 0,6 σ0,2 siendo σ0,2 la tensión de prueba 0,2% real del material.
Debe señalarse que los materiales
austeníticos reforzados mediante el
añadido de nitrógeno son más susceptibles a la fluencia a temperatura
ambiente cuando están sometidos a
carga en la misma proporción que su
límite de fluencia.
a. Velocidad de la deformación
Los aceros inoxidables tienden a ser
más sensibles a un cambio en la velocidad de ensayo que los aceros al carbono. En la figura 2 se muestran algunos resultados para materiales 304L y
316L en velocidades de deformación
rápidas. Generalmente un incremento
de la velocidad de la deformación produce una mayor resistencia a la rotura
y una menor ductilidad.
b. Fluencia a temperatura ambiente
Al igual que algunas otras aleaciones
metálicas, aunque no el acero al car-
3.2
Trabajo en frío
Los aceros inoxidables austeníticos,
en particular, desarrollan altas resistencias
mecánicas cuando se trabajan en frío. Este
comportamiento se debe en parte a la transformación parcial de la austenita en martensita. El grado de incremento de la resistencia
se ve afectado por la composición química.
Los elementos estabilizadores de la austenita como el níquel, el manganeso, el carbono
y el nitrógeno tienden a reducir la tasa de
incremento de la resistencia.
Figura 2 Efectos de la velocidad de la deformación unitaria
en materiales 304L y 316L
30
En la figura 4 se muestran los efectos
del trabajo en frío sobre la tensión de prueba
al 0,2%, la resistencia a la rotura por tracción
y el alargamiento de rotura para una pieza
específica de 304. Relaciones similares se
aplican a otros materiales austeníticos. A fin
de mantener una ductilidad útil del 15%, la
cantidad de trabajo en frío debe limitarse al
30% para las clases austeníticas.
COMPORTAMIENTO MECÁNICO
3.3 Efectos
de la Temperatura
Los aceros inoxidables austeníticos conservan una robustez notable en un amplio campo de temperaturas; se utilizan, por demás, para el
almacenamiento de líquidos criogénicos.
σ σ
Figura 3 Alargamiento por fluencia entre tensión normalizada
Los aceros inoxidables se
comportan mejor que el acero al carbono en condiciones de incendio. En
la figura 5 se compara el límite de
fluencia (o prueba al 0,5%) normalizado, con respecto a los valores de temperatura ambiente, de dos clases de
acero inoxidable austenítico y un
acero al carbono, en función de la
temperatura. Algunas clases de acero
inoxidable se han formulado específicamente para una exposición prolongada a temperaturas elevadas y se
utilizan, por ejemplo, en recubrimientos de chimeneas.
Durante el trabajo de
taller, por ejemplo en la conformación en frío de esquinas de
perfiles, puede surgir un trabajo
en frío localizado considerable.
Se han realizado estudios para
determinar fórmulas para la estimación del incremento de la
resistencia, pero todavía no han
avanzado lo suficiente como
para producir una propuesta de
proyecto.
En general, la anisotropía
y la asimetría se incrementan con
el trabajo en frío.
Es importante recordar
que la soldadura o algunos tratamientos térmicos recuecen, o lo
hacen parcialmente, el material
trabajado en frío, con la consecuente pérdida del incremento de
la resistencia.
Figura 4 Efecto del trabajo en frío sobre un material 304
31
3.4 Otras
Propiedades
Densidad
La mayoría de
los aceros inoxidables
tienen una masa específica de 7800 a 8000
kg/m3.
Dilatación Térmica
Los aceros inoxidables ferríticos tienen
un coeficiente de la dilatación térmica aproximadamente igual al del Figura 5 Efecto de la temperatura sobre la resistencia a la fluencia (carga de prueba
al 0,5%)
acero al carbono. No
obstante, los aceros
inoxidables austeníticos presentan valores algo
dos y, junto con una mayor dilatación térmica,
causa una mayor tensión residual y deformación
mayores, hasta aproximadamente un 50% supede soldadura (véase el apartado 4.3).
riores a los del acero al carbono. Los efectos de la
dilatación/contracción térmica diferenciales deben
Propiedades Magnéticas
tenerse en cuenta en el proyecto.
Conductividad Térmica
El acero inoxidable tiene un coeficiente de
conductividad térmica de aproximadamente un
tercio que el del acero al carbono.
Obsérvese que esta baja conductividad
conduce a gradientes térmicos más pronuncia-
32
Los aceros inoxidables austeníticos tienen una permeabilidad magnética baja. El trabajo en frío pesado, particularmente en el acero
austenítico aleado pobre, puede incrementar la
permeabilidad magnética; el recocido subsiguiente restaura las propiedades no magnéticas.
Se recomienda obtener asesoramiento especializado para aplicaciones no magnéticas.
COMPORTAMIENTO Y PROYECTO…
4.
COMPORTAMIENTO
Y PROYECTO DE ELEMENTOS
ESTRUCTURALES
pandeo de barras, resulta útil considerar diagramas tensión-deformación idealizados. Una idealización útil es la propuesta por Ramberg y Osgood.
4.1 Generalidades
δ
ε = + 0, 002
E
δ
 
 fy 
n
4.1.1 Cálculo elástico o plástico
(1)
donde:
Se recomienda el análisis global elástico
para estabilizar las fuerzas y momentos en las
barras. Aunque en principio el análisis global
plástico podría utilizarse, existen actualmente
algunas dificultades que deben tratarse en el cálculo. Estas dificultades están asociadas a las
propiedades de endurecimiento por deformación
del acero inoxidable y, en particular, las
características de momento-rotación de
una rótula plástica de acero inoxidable,
que del mismo modo presenta un comportamiento de endurecimiento. En la
formación de un mecanismo plástico, las
rótulas plásticas deben experimentar
varios grados de rotación. Así, los
momentos en las rótulas están por encima del momento plástico nominal
(módulo plástico por la tensión de prueba al 0,2%) en cantidades variables
dependiendo de los grados de rotación.
Por lo tanto, el cálculo de la distribución
de momentos en torno a un pórtico implicaría consideraciones cinemáticas.
En la figura 6 se muestra el sencillo ejemplo de una viga fijada en un extremo, sujeta a una carga puntual a un cuarto del vano. Los momentos en la viga de
acero inoxidable son algo indeterminados
y dependen de la característica de
momento-rotación. Las uniones deberían
resistir cualquier momento adicional.
ε
es la deformación
δ
es la tensión
fy
es el límite de fluencia (prueba 0,2%)
E
es el módulo de Young
θ
θ
θ
θ
θ
θ
θ
4.1.2 Efecto de la no linealidad
del material
Para describir el efecto de la no
linealidad del material en la resistencia al
Figura 6 Desarrollo de momentos en una viga empotrada
33
n
es un índice que caracteriza el grado
de no linealidad. Un bajo valor de n da
una curva muy redondeada, mientras
que un valor alto da curvas que se
aproximan a la relación bilineal elástica-perfectamente plástica del acero al
carbono, (véase la figura 7).
la cual puede esperarse un comportamiento similar depende del límite de
proporcionalidad y, por lo tanto, del coeficiente n en la representación de
Ramberg-Osgood del diagrama de tensión-deformación.
Esta dependencia puede observarse
en la figura 8.
En términos generales, el efecto de la
no linealidad (medido por el índice n)
en el pandeo de una barra depende de
la esbeltez de la barra tal como se
describe más abajo. En la figura 8 se
muestra gráficamente el efecto que
más adelante se determina matemáticamente. Existen tres zonas de esbeltez de la barra:
ii. En esbeltez baja, es decir, cuando las
barras alcanzan o sobrepasan la resistencia plástica, se manifiestan las ventajas del endurecimiento por deformación. Para una esbeltez muy baja, los
materiales con mayores tasas de endurecimiento, es decir, los materiales con
coeficientes n bajos, dan una mayor
resistencia de la barra que los materiales que tienen un coeficiente n alto, en
particular los aceros al carbono. Este
efecto puede observarse también en la
figura 8.
i. Esbeltez alta, es decir, cuando la resistencia al pandeo es baja, las tensiones
en la barra de acero inoxidable son suficientemente pequeñas de modo que
caen en la parte lineal del diagrama
tensión-deformación. En este campo se
pueden esperar pocas diferencias entre
las resistencias del las barras de acero
inoxidable y las de acero al carbono,
suponiendo niveles similares de imperfecciones geométricas y de tensión
residual. La esbeltez límite más allá de
ε
σ
ε
iii. En una esbeltez intermedia, es decir,
cuando la tensión media en el pilar se
sitúa entre el límite de proporcionalidad
y la resistencia de prueba 0,2%, el
acero inoxidable es más "blando" que
el acero al carbono. Esto conduce a
reducir las resistencias
de las barras de acero
inoxidable en comparación a barras similares
de acero al carbono.
σ
σ
Figura 7 Diagramas de tensión-deformación unitaria en la representación propuesta por
Ramberg y Osgood
34
Al considerar la inestabilidad causada por el
pandeo de la barra, se
hace referencia al
enfoque del módulo
tangente. Este enfoque
se adopta en el reglamento estadounidense
para el acero inoxidable conformado en frío
[3]. El enfoque se basa
en sustituir el módulo
de Young E (en las disposiciones para el pan-
COMPORTAMIENTO Y PROYECTO…
deo del acero al carbono) por el
módulo tangente Et correspondiente a
la tensión de pandeo en la barra de
acero inoxidable. Puesto que Et varía
con la tensión y la tensión de pandeo
va en función de Et, el enfoque requiere generalmente iteraciones para
hallar la tensión de pandeo.
donde el subíndice c se refiere al acero al carbono, la curva de Euler pasa a ser:
Una línea de cálculo efectiva puede
derivarse mediante el enfoque del
módulo tangente, en el que las necesarias iteraciones ya han sido realizadas. La derivación puede demostrarse
mejor mediante un ejemplo.
fE = π 2Et / (l / i)
Supongamos que se necesita hallar la
curva del acero inoxidable correspondiente a la tensión de pandeo de Euler
fE para pilares de acero al carbono.
Para el acero al carbono (y cualquier
material elástico lineal):
fE = π 2E / (l / i)
χ c = 1 / λ2c
Para el acero inoxidable, E se sustituye
por el módulo tangente Et:
χs =
2
1 Et
=
λ2S
λ2c E
1
Utilizando la relación Ramberg-Osgood
para describir el diagrama de tensión-deformación (ecuación (1)), el módulo tangente puede
derivarse como:
 1 0, 002 n  f 
df
Et =
=  +
f 
dε
fy
 y
 E
2
n − 1 −1



Definiendo parámetros no dimensionales:
y por tanto
χ c = fE /fy y λ c =
l/i
π
fy
E

Et
nE  f 
= 1 + 0, 002
E
fy  fy 

χ
n − 1 −1



Pero, en pandeo (f/fy) = χs y así
1 
nE n −1
χ s = 2 1 + 0, 002
χ 
fy S 
λ c 
−1
En general, para cualquier
función dada χ s = f( λ c ) , es neceλ
Figura 8 Efecto del índice de Ramberg y Osgood n sobre el pandeo
π
sario un enfoque iterativo para
resolver la ecuación obtenida en
esta fase, ya que χs aparece en
ambos lados. En este caso la fun-
35
ción original del acero al carbono es lo suficientemente simple para permitir una solución directa, reordenando:

nE n 
λ c = χ + 0, 002
χ 
S
fy S 

−1 / 2
4.2
Clasificación
y Abolladura
4.2.1 Clasificación
Obsérvese que puede generarse una
–
familia de curvas que relacionan λc y χs para
cada valor de n dependiendo del ratio de E/fy.
En la figura 8 se comparan algunos ejemplos de
curvas con la curva original de Euler (para
acero al carbono). Todo lo que debe hacer el
–
proyectista es calcular λ utilizando el valor inicial del módulo (de Young) y seguidamente
hallar χ directamente utilizando la curva apropiada.
Como puede verse, las curvas con un
valor más bajo de n, lo que implica un límite de
proporcionalidad menor, se desvían de la curva
del acero al carbono en tensiones menores que
las curvas asociadas con un mayor valor de n.
No obstante, a tensiones superiores a 0,9 fy, las
curvas con un bajo valor de n quedan por encima de las que tienen un valor alto de n; esto
viene del hecho de que el módulo tangente del
material con un bajo valor de n es mayor que el
del material con un alto valor de n en
σ
este campo de tensiones. Puede observarse que un diagrama de tensión/deformación de un acero al carbono puede
aproximarse mucho mediante valores de
n muy altos (digamos > 30), en cuyo
caso la curva de Euler se transforma en
una meseta horizontal en fluencia.
La clasificación de las secciones transversales de acuerdo con su capacidad para resistir
la abolladura y para soportar carga con deformación ha demostrado ser un concepto útil para el
proyecto de barras de acero al carbono. Se reconocen cuatro clasificaciones:
Clase 1: secciones transversales capaces de desarrollar el momento
de resistencia plástica con
capacidad de rotación.
Clase 2: secciones transversales capaces de desarrollar el momento
de resistencia plástica sin capacidad de rotación.
Clase 3: secciones transversales capaces de desarrollar el momento
de fluencia.
Clase 4: secciones transversales incapaces de alcanzar el momento de
fluencia debido a abolladura.
∞
El valor n debe estimarse en 6
para el acero inoxidable austenítico en
dirección longitudinal. En dirección
transversal se observan valores de n
más altos.
Los valores de E facilitados en
normas de materiales se relacionan normalmente con el módulo de elasticidad
inicial, (véase la figura 9). A efectos de
ingeniería, en algunas normas se utilizan
valores más bajos.
36
ε
Figura 9 Relación tensión-deformación unitaria en acero inoxidable
COMPORTAMIENTO Y PROYECTO…
La clasificación de una sección transversal depende del elemento de chapa más desfavorable dentro de dicha sección. El comportamiento en carga/acortamiento extremo de una
barra depende de su esbeltez:
λp =
b/t
28, 4 ε k σ
donde b/t es la proporción anchura/espesor de la
chapa
4.2.2 Abolladura
Al igual que con los elementos de acero al
carbono, los efectos de la abolladura pueden
preverse en el proyecto utilizando el enfoque de
la anchura eficaz. Mientras que en el Eurocódigo
3 sólo se utiliza una formulación para el acero al
carbono, el Eurocódigo 3 Anexo S [4] propone
tres curvas de cálculo para el acero inoxidable
tras una revisión de los datos disponibles:
(
) para todos los elementos internos como almas o alas acotadas
beff / b = 1, 09 / ( λ p + 0, 45)
por
almas.
beffpares
/ b = de
0, 83
/ ( λ p + 0, 29)
= 10,,10
b
// b
beff
b =
83//((λλpp ++ 00,,51
29)
=
beff
/
b
1
,
09
/ ( λ p + 0, 45))
eff
para elementos
externos
beff / b =conformados
1, 09 / λ + 0,en
45frío.
beff / b = 1, 10 /(( λpp + 0, 51))
beff / b = 1, 10 / ( λ p + 0, 51)
para elementos
beff / b = 0, 83 / λ p + 0, 29
1/ 2
 235
E 
ε = 
⋅

210000 
 fy
kσ es el coeficiente de pandeo.
En la tabla 1 se facilitan las proporciones
anchura/espesor para la clasificación de elementos a compresión, conforme al Eurocódigo 3,
anexo S [4]. Sin embargo, los datos numéricos
para elementos de chapa (figura 10), indican que
los materiales sujetos a endurecimiento por
deformación presentan una característica de
descarga de mayor meseta y menos pronunciada que los materiales no sujetos a deformación,
como el acero al carbono. Así, si un elemento de
acero al carbono puede clasificarse como elemento de Clase 1, un elemento de acero inoxidable con la misma esbeltez presenta una capacidad de deformación al menos igual y
probablemente podrá clasificarse como Clase 1.
Existen dos diferencias principales entre
el proyecto de barras de acero al carbono laminadas en caliente y barras de acero inoxidable:
Las proporciones limitadoras de los elementos de Clase 3 se encuentran a partir de la
esbeltez con la cual la curva de abolladura alcanza justo la fluencia (véase más abajo). Estas proporciones son menores para el acero inoxidable
que para el acero al carbono. Puede observarse
que con los límites inferiores de la Clase 3, pero
con los mismos límites de la Clase 1, existe un
menor campo entre ambas clases para el acero
inoxidable que para el acero al carbono. Existe
incluso la posibilidad de que las Clases 1 y 2 puedan converger en una clase única para el acero
inoxidable, aunque esta simplificación potencial
queda para futuras investigaciones.
i. El efecto de la no linealidad del material
significa que deben utilizarse curvas de
cálculo ligeramente diferentes para el
acero inoxidable. Este punto se ha
comentado en términos cualitativos en
el apartado 4.1.2. anterior. Para el pandeo por flexión de perfiles en frío, en el
Eurocódigo 3 se recomienda una curva
de cálculo más generosa para el acero
inoxidable (véase la figura 12), que contiene asimismo datos experimentales.
La alta resistencia en las esquinas conformadas en frío permite el uso de una
curva más generosa. Por otra parte, los
externos soldados.
En la figura 11 se muestran los datos
experimentales y curvas de cálculo para elementos conformados en frío.
4.3 Proyecto de Pilares
37
Cuadro 1: Proporciones anchura/espesor máximas en elementos comprimidos
(Hoja 1)
a. Almas (elementos internos perpendiculares al eje de flexión)
tf
d
h
d
d
tw
tw
tw
tw
Eje de
flexión
d = h – 3t (t = tf = tw)
Clase
Alma sujeta a flexión
Alma sujeta a compresión
fy
Distribución de las
tensiones en el elemento (compresión
positiva)
Alma sujeta a compresión compuesta
fy
fy
αd
d h
d
h
d h
fy
fy
fy
d/tw ≤ 56,0 ε
d/tw ≤ 25,7 ε
cuando α > 0,5:
d/tw ≤ 58,2 ε
d/tw ≤ 26,7 ε
cuando α > 0,5:
d/tw ≤ 308 ε/(13α-1)
cuando α ≤ 0,5:
d/tw ≤ 28 ε/α
1
d/tw ≤ 320 ε/(13α-1)
cuando α ≤ 0,5:
d/tw ≤ 29,1 ε/α
2
fy
Distribución de las
tensiones en el elemento (compresión
positiva)
d/2
fy
fy
d h
h
d/2
ψfy
fy
3
d/tw ≤ 74,8 ε
d h
d/tw ≤ 30,7 ε
d/tw ≤ 15,3 ε √kσ
Para kσ ver Eurocódigo 3,
cuadro 5.3.2
1/ 2
 235
E 
ε = 
⋅

210000 
 fy
Clases según el capítulo (cuadro S.3.1 y S.3.2)
* ε valores para proyecto utilizando valores especificados (véase S.3.1.2 y S.3.1.3)
38
COMPORTAMIENTO Y PROYECTO…
Cuadro 1: Proporciones anchura/espesor máximas en elementos comprimidos
(Hoja 2)
b. Elementos de ala interna: (Elementos internos paralelos al eje de flexión)
b
tf
b
Clase
tf
tf
b
Tipo
b
tf
Eje de
flexión
Sección en flexión
fy fy
Sección en compresión
f yf y
fy fy
f yf y
Distribución de las tensiones en el
elemento y a través de la sección
(compresión positiva)
1
Perfil Laminado Hueco
Otros
b/t ≤ 25,7 ε
b/t ≤ 25,7 ε
b/t ≤ 25,7 ε
b/t ≤ 25,7 ε
2
Perfil La minado Hueco
Otros
b/t ≤ 26,7 ε
b/t ≤ 26,7 ε
b/t ≤ 26,7 ε
b/t ≤ 26,7 ε
fy fy
f yf y
fy fy
fy fy
f yf y
f yf y
Distribución de las tensiones en el
elemento y a través de la sección
(compresión positiva)
3
Perfil Laminado Hueco
Otros
b/t ≤ 30,7 ε
b/t ≤ 30,7 ε
b/t ≤ 30,7 ε
b/t ≤ 30,7 ε
1/ 2
 235
E 
ε = 
⋅

210000 
 fy
Clases según el capítulo (cuadro S.3.1 y S.3.2)
* ε valores para proyecto utilizando valores especificados (véase S.3.1.2 y S.3.1.3)
39
Cuadro 1: Proporciones anchura/espesor máximas en elementos comprimidos
(Hoja 3)
c. Alas exteriores:
c
c
tf
tf
tf
c
tf
c
Perfiles soldados
Ala sujeta a flexión compuesta
Clase
Tipo de perfil
Ala sujeta a compresión
Punta a compresión
Punta a tracción
αc
Distribución de las tensiones
en el elemento (compresión
posistiva)
1
Conformado en frío
Conformado
c
c
Conformado en frío
Soldado
c / tf ≤
10 ε
α
c / tf ≤
10 ε
α α
c/tf ≤ 9,0 ε
c / tf ≤
9ε
α
c / tf ≤
9ε
α
c/tf ≤ 10,4 ε
c / tf ≤
10.4 ε
α
c / tf ≤
10.4 ε
α α
c/tf ≤ 9,4 ε
c / tf ≤
9.4 ε
α
c / tf ≤
9.4 ε
α α
Distribución de las tensiones
en el elemento (compresión
positiva
3
c
c/tf ≤ 10,0 ε
en caliente
2
αc
c
c
c
Conformado en frío
c/tf ≤ 11,9 ε
c/tf ≤ 18,1 ε √kσ
Soldado
c/tf ≤ 11,0 ε
c/tf ≤ 16,7 ε √kσ
para véase el Eurocódigo 3, cuadro 5.3.3
1/ 2
 235
E 
ε = 
⋅

210000 
 fy
40
COMPORTAMIENTO Y PROYECTO…
Cuadro 1: Proporciones anchura/espesor máximas en elementos comprimidos
d. Angulares
(Hoja 4)
h
t
Véase tambiés (c)
Alas externas
*(véase hoja 3)
(No se aplica a angulares
en contacto contíguo con
otros componentes
b
t
Clase
Sección a compresión
fy
fy
Distribución de las tensiones a través de la sección (compresión positiva)
t
h/t ≤ 11,9 ε
3
;
(b + h)/2t ≤ 9,1 ε
1/ 2
 235
E 
ε = 
⋅

210000 
 fy
pilares de acero inoxidable austenítico
soldado deben proyectarse según una
curva menor que la utilizada para el
acero al carbono, debido a la mayor
tensión residual por soldadura en el
acero inoxidable, tal como se menciona
en el apartado 3.4.
∞
λ
El coeficiente de reducción para prever
el pandeo por flexión puede obtenerse
como se especifica para el acero al car–
bono, teniendo en cuenta α y λ0 o que
se da en la tabla 2.
λ
λ
ε
Figura 10 Comportamiento de carga/acortamiento en el
extremo de elementos de chapa
ii. En el apartado 2.3 ya se ha observado
que se hará un mayor uso de los perfiles en frío, siendo acero inoxidable,
que si se tratara de acero al carbono.
El proyectista, por lo tanto, deberá considerar más a menudo los modos de
41
pandeo que no sean el pandeo por flexión, es decir, el pandeo por torsión-flexión. La limitadas evidencias disponibles no sugieren que los pilares de
acero inoxidable se comporten peor
que los pilares de acero al carbono en
estos modos de pandeo.
ρ
4.4 Proyecto de vigas
λ
ρ
λ
Figura 11 Curvas para pilares de acero inoxidable y acero al
carbono con los datos de pilares de material 304
χ
Al igual que para los pilares, en el proyecto de vigas de acero inoxidable se utilizan
comprobaciones similares a las utilizadas para
las vigas de acero al carbono, pero para el
acero inoxidable se utilizan curvas de pandeo
diferentes. Así, para el pandeo lateral, debe utilizarse la curva de pandeo inferior siguiente a la
del acero al carbono.
Una de las mayores diferencias observadas entre el acero al carbono y el acero inoxidable se refiere al pandeo por cizallamiento
del alma. En la figura 13 se ilustra las curvas
de cálculo del Eurocódigo 3 para el acero al
carbono y las recomendadas para el acero
inoxidable. Estas últimas son aproximaciones
cercanas a curvas analíticas derivadas de las
del acero al carbono, utilizando el enfoque del
módulo tangente descrito en
el apartado 4.1.2. Las curvas
determinadas para el acero
inoxidable constituyen un
límite inferior satisfactorio
para los datos experimentales disponibles.
λ
Figura 12 Curvas para pilares de acero inoxidable y acero al carbono con los
datos de pilares de material 304
42
El cálculo preciso de
las flechas de las barras compuestas de materiales de
acero inoxidable es un tema
complejo. La forma de la curva
de flechas en carga se ve
afectada por la relación tensión-deformación no lineal del
material y puede verse influida
por los efectos de abolladura
en el ala comprimida. Mientras
que en el caso del acero al
carbono el módulo es constan-
COMPORTAMIENTO Y PROYECTO…
el valor de la tensión
en cada punto.
ττ
τ
λ
Un cálculo preciso
ττ
de la flecha requiere por lo general el
τ
uso de técnicas iterativas que son inadecuadas para el
proyecto. Además,
λ
τ τ
las incertidumbres
λ
en el embridado
extremo, el espesor
τ τ
λ
del elemento, el
compor tamiento
del material, dejando la carga al marλ
gen, sugieren que
no es realista esperar o pretender una
exactitud matemátiFigura 13 Resistencia a la cortadura de almas
ca en la estimación
de las flechas. Por
lo tanto, resulta apropiado utilizar técnicas de aprote (es decir, igual al módulo de Young), hacia abajo
ximación como la de sustituir el módulo de Young
de la altura de la viga y a lo largo de la longitud de
por el promedio de los módulos secantes en las
la misma, el módulo tangente de las barras de
alas tendidas y comprimidas.
acero inoxidable puede variar en toda la viga según
43
5.
UNIONES
5.1 Aspectos Generales
Al igual que para el cálculo de barras, el
cálculo de uniones de acero inoxidable es muy
similar al de uniones de acero al carbono. Aunque
los detalles normalizados pueden ser ventajosos
para las estructuras de acero al carbono, el mayor
coste del acero inoxidable favorece un alejamiento de la uniformidad de los detalles como una vía
para reducir estos costes, incluso si ello conlleva
mayores cargas de trabajo.
Las uniones funcionan, incluso cuando el
recorrido supuesto de la carga no se verifica en la
realidad, debido a la gran ductilidad del acero y,
por ende, su potencial de redistribución. A este
respecto el acero inoxidable, y en particular las clases austeníticas, es superior al acero al carbono.
Todas las formas de unión utilizadas para
el acero al carbono pueden también utilizarse
con el acero inoxidable, salvo para uniones realizadas con bulones que trabajan por fricción.
Estas uniones atornilladas no se realizan con
acero inoxidable debido a los bajos coeficientes
de fricción del acero inoxidable, a la relajación de
la tensión en los bulones de acero inoxidable, y a
las características variables del momento de torsión de dichos bulones.
5.2 Uniones Atornilladas
El estado límite de rotura de las uniones
atornilladas de acero inoxidable puede obtenerse
con referencia a las disposiciones del Eurocódigo 3
para las uniones de acero al carbono. Sin embargo,
puesto que el acero inoxidable tiene una alta ductilidad y las proporciones de fluencia/resistencia a la
rotura del material son bajas, los criterios de servicio son más importantes para las uniones atornilladas de acero inoxidable que para las de acero al
carbono. Deben considerarse dos aspectos:
Resistencia de la superficie del taladro
La resistencia a la rotura en la ecuación
para la resistencia en la superficie de apoyo se
44
obtiene utilizando fu igual a la resistencia a la
rotura de la pieza unida. Sin embargo, la resistencia útil de una unión atornillada de acero inoxidable se rige normalmente por criterios de servicio en los que el alargamiento del taladro
sometido a cargas de servicio debe limitarse. A
fin de evitar la realización de una comprobación
aparte para el servicio, se recomienda colocar
un límite al alargamiento del taladro en carga de
rotura utilizando un valor reducido de fu, es
decir, f u′.
Para limitar el alargamiento del taladro en
carga de rotura:
fu′ = 0, 5fy + 0, 6fu
Resistencia a la Tracción del Tornillo
Este aspecto se aplica en particular a los
tornillos recocidos, es decir, los tornillos de Clase
de Propiedad 50 - véase la lección 22.1, ya que
la proporción fluencia/resistencia a la rotura es
baja (= 0,42). Las resistencias determinadas
conforme al Eurocódigo 3 [5] se basan en la
resistencia a la rotura de los tornillos. Esta base
lleva al hecho de que los tornillos de la Clase de
Propiedad 50 se someten a una tensión superior
a la fluencia en cargas de trabajo. en el
Eurocódigo 3, anexo S[4] se recomienda tomar
la resistencia básica fub de un método de unión
de acero inoxidable del modo siguiente:
fub = valor mínimo especificado de resistencia a la tracción, pero no superior a 1,9 fyb
fyb = tensión a 0,2% deformación permanente.
5.3 Uniones Soldadas
Dado que se seleccionan consumibles
apropiados para proporcionar al metal soldado
una fluencia y una resistencia a la rotura al
menos igual a las del metal original, las disposiciones del Eurocódigo 3 pueden aplicarse para
calcular las resistencias de las uniones soldadas.
UNIONES
Debe reconocerse el potencial de corrosión y, por esta razón, se evitará preferiblemente
la soldadura intermitente. Se debe asimismo
tener precaución con las soldaduras a tope con
penetración parcial debido a la posibilidad de
acción capilar y la consiguiente presencia de
fisuras por corrosión.
Al igual que con otros metales y aleaciones, el acero inoxidable sufre deformación con la
soldadura. La distribución puede ser mayor en el
caso de los aceros inoxidables austeníticos
(véase el apartado 3.4). Puede provocar problemas de ajuste durante el montaje. La deformación
por soldadura sólo puede controlarse, no eliminarse. Deben adoptarse las medidas siguientes
por parte del proyectista y el montador:
a. Medidas por parte del proyectista
• Eliminar la necesidad de soldar.
• Reducir la extensión de la soldadura.
• Reducir el área de las soldaduras. Por
ejemplo, en secciones gruesas, especificar preparaciones de doble V, U o
doble U antes que de V sencilla.
• Utilizar juntas simétricas.
• Proyectar para acomodar tolerancias
dimensionales más amplias.
b. Medidas por parte del montador
• Utilizar dispositivos de fijación eficaces. Si es posible, el dispositivo de
fijación debe incorporar barras de
cobre o aluminio para ayudar a conducir el calor fuera del área de la soldadura.
• Cuando no es posible una fijación
eficaz, utilizar puntos de soldeo poco
separados dispuestos en una
secuencia equilibrada.
• Asegurarse de que se obtiene un
buen ajuste y alineamiento antes de
soldar.
• Utilizar el menor aporte de calor conmensurado con el proceso de soldadura seleccionado.
• Utilizar una soldadura equilibrada y
secuencias apropiadas, por ejemplo,
secuencias de retroceso y bloques.
45
6.
RESUMEN FINAL
Las diferencias esenciales entre el comportamiento estructural del acero inoxidable y del
acero al carbono son:
1. El proyectista debe considerar más atentamente la selección del material para una estructura de acero inoxidable. Es necesario considerar la corrosión, el acabado de superficie
requerido y los métodos de trabajo de taller.
2. Las verificaciones de cálculo generalmente
difieren cuantitativamente pero no cualitativamente
de las de las estructuras de acero al carbono.
3. Puesto que el conocimiento del comportamiento de los pórticos de las estructuras de
acero inoxidable todavía no está adelantado, no
se recomienda el análisis plástico global como
método de cálculo.
4. La alta ductilidad y la baja proporción fluencia/resistencia a la rotura del acero inoxidable
significa que los criterios de servicio son más
importantes.
7.
BIBLIOGRAFÍA
[1] Dier, A.F., “Design Manual for Structural
Stainless Steel”, To be published by EURO
INOX, 1993.
46
[2] Tendo, M., Takeshite, T., Nakazawa, T. and
Abo, H., “Room Temperature Creep Behaviour of
Austenitic Stainless Steels”, International
Conference on Stainless Steels, June 1991, Iron
and Steel Institute of Japan.
[3] ANSI/ASCE-8-90: Specification for the
Design of Cold-Formed Stainless Steel Structural
Members, American Society of Civil Engineers.
Published by ASCE, 345 East 47 Street, New York
10017-2398, USA, July 1991.
[4] Eurocode 3: “Design of Steel Structures”.
Part 1: Annex S: Use of Stainless Steel (en preparación).
[5] Eurocode 3: “Design of Steel Structures”:
European Prestandard ENV 1993-1-1: Part 1.1,
General rules and rules for buildings, CEN,
1992.
8.
BIBLIOGRAFÍA ADICIONAL
1. Boiler and Pressure Vessel Code. Section
3. Rules for Construction of Nuclear Power Plant
Components. Division 1: Subsection NF 3000.
Component Supports, American Society of
Mechanical Engineers, New York, 1983.
ESDEP TOMO 22
ACERO INOXIDABLE
Lección 22.3: Corrosión de Acero Inoxidable
47
OBJETIVOS/CONTENIDO
OBJETIVOS/CONTENIDO
RESUMEN
Comentar los mecanismos de la corrosión
en el acero inoxidable y dar una orientación en la
selección de la clase apropiada para la aplicación. Se orienta asimismo sobre la buena práctica de detalle para evitar la corrosión.
En esta lección se describen las razones
del porqué el acero inoxidable puede corroerse,
los mecanismos de dicha corrosión y la selección de clases para evitarla. Se orienta asimismo
sobre la buena práctica del detalle y del almacenamiento y manipulación para mejorar la resistencia a la corrosión.
CONOCIMIENTOS PREVIOS
Lección 22.1: Introducción al Acero
Inoxidable
LECCIONES AFINES
Lección 22.2: Comportamiento y Proyecto Estructurales
Lección 22.4: Fabricación
49
1.
INTRODUCCIÓN
Todos los metales estructurales comunes
forman películas de óxido superficial cuando
están expuestos al aire seco. El óxido formado
en el acero dulce se rompe fácilmente y, en presencia de humedad, no se auto-repara. Así,
puede producirse una reacción entre el acero
(Fe), la humedad (H2O) y el oxígeno (O2) para
formar la herrumbre. La reacción es compleja
pero puede representarse mediante una ecuación química de la forma:
la corrosión evitando que el acero reaccione con
la atmósfera.
El comportamiento de la película pasiva
depende de la composición del acero, su tratamiento de superficie y la naturaleza corrosiva de su
entorno. La estabilidad de la capa aumenta a medida que aumenta el contenido de cromo. En la práctica, la mayoría de los aceros inoxidables que se
utilizan en construcción contienen aproximadamente un 18% de cromo y un 105 de níquel. Algunos
aceros inoxidables contienen también molibdeno
para mejorar aún más su resistencia a la corrosión.
4 Fe + 2 H2O + 3 O2 = 2 Fe2O3.H2O
Fe2O3.H2O es lo que vulgarmente se
conoce como herrumbre y, al no ser normalmente protectora, no impide el proceso de corrosión.
En el acero inoxidable también se forma
un óxido. Consiste en un óxido rico en cromo que
es estable, no poroso y con una gran adherencia
al metal. Sin embargo, a diferencia del que se
forma en el acero dulce, si se rompe (por ejemplo rascándolo o cortándolo) es capaz de autorepararse en presencia de aire o de un entorno
oxidante. Es asimismo altamente resistente al
ataque químico. Por estas razones, se le conoce
como una “película pasiva”. Aunque la película
es muy fina (~5x10-6mm), proporciona al acero
inoxidable sus propiedades de alta resistencia a
50
El concepto de formación de película
pasiva es importante porque cualquier condición
que evite la formación de la película o que provoque su rotura provocará también la pérdida de
la resistencia a la corrosión. La corrosión del
acero inoxidable se produce por tanto si la película pasiva resulta dañada y no se le permite volverse a formar.
En esta lección se describen las razones
del porqué el acero inoxidable puede corroerse,
los mecanismos de dicha corrosión y la selección de clases para evitarla. Se orienta asimismo
sobre la buena práctica del detalle y del almacenamiento y manipulación para mejorar la resistencia a la corrosión. Puede encontrarse más
elementos orientativos en [1].
TIPOS DE CORROSIÓN
2.
TIPOS DE CORROSIÓN
Los aceros inoxidables son por lo general
muy resistentes a la corrosión y su rendimiento
será satisfactorio en la mayoría de los entornos.
El límite de la resistencia a la corrosión de un
acero inoxidable determinado depende de los
elementos de la aleación, lo que significa que
cada clase tiene una respuesta ligeramente diferente cuando se la somete a un entorno corrosivo. Por lo tanto debe tenerse cuidado de seleccionar la clase más apropiada de acero
inoxidable para una aplicación determinada. Por
lo general, cuanto mayor sea el nivel de resistencia a la corrosión requerido, mayor será el
coste del material.
Las razones más frecuentes para que un
metal no cumpla con las expectativas en lo referente a la resistencia a la corrosión son:
a) valoración incorrecta del entorno o
exposición a condiciones no previstas,
por ejemplo, contaminación imprevista
por iones de cloruro.
b) la forma en que el acero inoxidable ha
sido trabajado o tratado puede introducir un estado no previsto en la valoración inicial.
Aunque los aceros inoxidables pueden
estar sujetos a decoloración y manchas (a menudo debidas a la contaminación del acero al carbono), resultan extremadamente duraderos en
edificios. En ambientes industriales agresivos o
marítimos, los ensayos no han mostrado indicación alguna de reducción de la resistencia del
componente incluso cuando se produce una ligera pérdida de peso. No obstante, el usuario
puede considerar un fallo las manchas de
herrumbre en las superficies externas. La experiencia indica que cualquier problema grave de
corrosión se manifestará probablemente durante
los dos o tres primeros años de servicio.
En algunos entornos agresivos, algunas
clases de acero inoxidable son susceptibles al
ataque localizado. A continuación se describen
seis mecanismos, aunque los últimos tres se
presentan muy raramente en edificios terrestres.
2.1 Picadura
La picadura es una forma localizada de
corrosión que puede producirse como resultado
de una exposición a ambientes específicos, principalmente los que contienen cloruros. La picadura se produce porque los iones de cloruro
penetran la película pasiva en puntos débiles. Se
forma un elemento local con el área penetrada
actuando como ánodo y la película pasiva a su
alrededor actuando como cátodo. Puesto que el
área del ánodo es pequeña y el área del cátodo
es grande, la densidad de la corriente y, por
ende, la tasa de corrosión en la superficie del
ánodo, se hace muy alta.
En la mayoría de las aplicaciones estructurales, la extensión de la picadura será probablemente superficial y la reducción de la sección
del componente será despreciable. No obstante,
los productos corroídos pueden empañar características arquitectónicas. En servicios como
conductos, tuberías y estructuras de contención
debe adoptarse una visión menos tolerante de la
picadura. Si existe un riesgo conocido de picadura, será necesario utilizar un acero inoxidable
al molibdeno.
2.2 Corrosión en Fisuras
La corrosión en fisuras es una forma
localizada de ataque que se inicia debido a la
disponibilidad extremadamente baja de oxígeno
en una fisura. Probablemente sólo será un problema en soluciones estancadas en las que se
produce una acumulación de cloruros. La gravedad de la corrosión en fisuras depende en
gran medida de la geometría de la fisura; cuanto más estrecha y profunda sea la fisura, más
grave será la corrosión. Las fisuras se producen
típicamente entre tuercas y arandelas o alrededor de la rosca de un tornillo o la espiga de un
bulón. Pueden producirse fisuras asimismo en
soldaduras que no han penetrado y debajo de
depósitos en la superficie del acero. En princi-
51
pio, la picadura y la corrosión en fisuras son
fenómenos similares, pero los ataques se inician más fácilmente en una fisura que en una
superficie libre.
2.3 Corrosión Bimetálica
La corrosión bimetálica (galvánica) puede
producirse cuando metales disimilares están en
contacto eléctrico en un electrolito común (por
ejemplo lluvia, condensación, etc.). Si fluye
corriente entre ambos, el metal menos noble (el
ánodo) se corroe más rápido de lo que se corroería si los metales no estuvieran en contacto.
La velocidad de la corrosión depende asimismo de las áreas relativas de los metales en
contacto, la temperatura y la composición del
electrolito. En particular, cuanto mayor sea el
área del cátodo en relación con la del ánodo,
mayor será la velocidad del ataque. En uniones y
juntas es probable que se produzcan relaciones
de área adversas. Los bulones de acero al carbono en barras de acero inoxidable deben evitarse porque la relación del área de acero inoxidable respecto a la de acero al carbono es
grande y los bulones quedarán sujetos a un ataque agresivo. Inversamente, la velocidad de ataque de una barra de acero al carbono por un
bulón de acero inoxidable es mucho menor.
Normalmente resulta útil recoger experiencias
previas en lugares similares, ya que los metales
disimilares pueden a menudo acoplarse con
seguridad en condiciones de condensación o
humedad ocasionales sin efectos adversos,
especialmente cuando la conductividad del electrolito es baja.
La predicción de estos efectos resulta difícil, ya que la velocidad de la corrosión viene
determinada por varios problemas complejos. La
utilización de cuadros potenciales ignora la presencia de películas de óxido superficiales y los
efectos de las relaciones de área y diferentes
composiciones químicas de la solución (electrolito). Por lo tanto, el uso sin información de estos
cuadros puede producir resultados erróneos.
Deben utilizarse con precaución y sólo para una
valoración inicial.
52
Los aceros inoxidables austeníticos forman generalmente el cátodo en un par bimetálico y por lo tanto no sufren corrosión. Una excepción es el par con cobre, que en general debe
evitarse salvo en condiciones benignas. el contacto entre aceros inoxidables austeníticos y zinc
o aluminio puede provocar alguna corrosión adicional en los dos últimos metales. La corrosión
no será probablemente significativa a nivel
estructural, pero el polvo blanco/gris resultante
puede considerarse desagradable.
La corrosión bimetálica puede prevenirse
excluyendo el agua del detalle (por ejemplo pintando o aterrajando la junta ensamblada) o aislando los metales entre si (por ejemplo pintando
las superficies de contacto de los metales disimilares). El aislamiento en torno a las uniones
atornilladas puede conseguirse mediante juntas
de plástico no conductor o de goma y arandelas
y bujes de nilón o teflón. Este sistema es un
detalle cuya ejecución en la obra consume tiempo y normalmente no es posible disponer del
nivel de inspección de obra necesario para comprobar que todas las arandelas y manguitos han
sido correctamente instalados.
2.4 Fisuración por Corrosión bajo
Tensión
El desarrollo de la fisuración por corrosión
bajo tensión (FCT) requiere la presencia simultánea de tensión de tracción y factores ambientales específicos que no es probable que se den
en atmósferas normales de un edificio. No es
necesario que las tensiones sean muy altas en
relación con la tensión de prueba del material y
pueden deberse a cargas y efectos residuales de
los procesos de fabricación como la soldadura o
el plegado. Debe observarse precaución cuando
se utilizan barras de acero inoxidable que contienen tensiones residuales, por ejemplo debidas al
trabajo en frío, en ambientes ricos en cloruro, por
ejemplo piscinas, marinas, altamar.
La probabilidad de FCT aumenta con la
tensión de tracción y la temperatura. El acero
inoxidable austenítico y ferrítico, por lo general,
es completamente inmune a la FCT. En el acero
TIPOS DE CORROSIÓN
inoxidable austenítico al cromo-níquel, el níquel
es el elemento de la aleación que reduce en
mayor medida la sensibilidad a la FCT.
2.5 Corrosión General (Uniforme)
La corrosión general es mucho menos
grave en el acero inoxidable que en otros aceros.
Sólo se produce cuando el acero inoxidable se
encuentra en un pH muy bajo (ambientes ácidos)
o muy alto (ambientes alcalinos). Esta forma de
corrosión no es un problema para las clases de
acero inoxidable que se utilizan normalmente en
edificios. Deben consultarse cuadros en la documentación del fabricante u obtener el asesoramiento de un ingeniero especializado en corrosión si el acero inoxidable debe estar en contacto
con productos químicos.
2.6 Ataque Intergranular
y Degradación
de la Soldadura
Cuando el acero inoxidable austenítico
está sujeto a un calentamiento prolongado entre
450-850°C, el carbono del acero se difunde a los
contornos del grano y precipita carburo de
cromo. Este proceso elimina cromo de la solución sólida y deja un menor contenido de cromo
adyacente a los contornos del grano. Los aceros
que se encuentran en este estado se denominan
`sensibilizados'. Los contornos del grano se
hacen susceptibles al ataque preferencial en
exposiciones subsiguientes a un ambiente corrosivo. Este fenómeno se conoce como degradación de la soldadura cuando se produce en la
zona afectada por el calor de una soldadura.
Existen tres maneras de evitar la corrosión intergranular:
• Utilizar acero con bajo contenido en carbono.
• Utilizar acero estabilizado con titanio o
niobio. Estos elementos tienen una
mayor capacidad para ligar carbono que
la que tiene el cromo, por lo que reducen el riesgo de formación de carburo
de cromo.
• Utilizar un tratamiento térmico. Este
método se utiliza rara vez en la práctica.
La experiencia ha demostrado que un
bajo contenido en carbono (~0,05%) es suficiente en la mayoría de los casos para proteger contra la corrosión intergranular después de la soldadura. Esto es particularmente cierto cuando la
soldadura se realiza por arco (con calentamiento
y enfriamiento rápidos) incluso para espesores
de chapa de hasta 20 mm.
53
3.
SELECCIÓN DE LA CLASE
de condensación es más alto en lugares como
cocinas y lavanderías. Las zonas costeras son
muy corrosivas debido a la presencia de altas
concentraciones de iones cloruro en el aire y las
estructuras expuestas al agua de mar son particularmente susceptibles al ataque de la corrosión.
En la selección de la clase correcta del
acero inoxidable debe tenerse en cuenta el
entorno de la aplicación, la forma de trabajo de
taller, el acabado de superficie y el mantenimiento de la estructura. Aunque el material requiere
poco mantenimiento, cuando se selecciona para
utilizarlo en un entorno corrosivo debe recurrirse
a la ingeniería especializada en corrosión.
Una vez caracterizado el entorno general,
es necesario considerar el efecto de las proximidades directas sobre el acero inoxidable (por
ejemplo, elementos y substancias con los que es
probable que el material entre en contacto). El
estado de la superficie, la temperatura del acero
y la tensión prevista pueden asimismo ser parámetros importantes.
El primer paso consiste en caracterizar el
entorno de servicio. La corrosividad de un
ambiente se rige por algunas variables como
humedad, temperatura del aire, presencia de
productos químicos y su concentración, contenido de oxígeno, etc. Para que se produzca corrosión debe haber humedad. Por ejemplo, los edificios con calefacción y ventilación pueden
clasificarse como secos y no es probable que en
tales ambientes se produzca corrosión. El riesgo
Cuadro 1:
Seguidamente deben considerarse las
propiedades mecánicas. Deben definirse los
diferentes tipos de carga, por ejemplo cargas de
servicio, cargas cíclicas, vibraciones, cargas sís-
Clases sugeridas para aplicaciones atmosféricas
Lugar
Clase de acero
Rural
Urbano
Industrial
Marino
L
M
H
L
M
H
L
M
H
L
M
H
430
√
(√)
(√)
X
X
X
X
X
X
X
X
X
304, 302 (inc 304L, 321, 347)
√
√
√
√
√
(√)
(√)
(√)
X
√
(√)
X
315
O
O
O
O
√
√
√
√
X
√
√
(√)
316 (inc 316L, 316Ti)
O
O
O
O
√
√
√
√
(√)
√
√
(√)
Clases especiales altamente aleadas
O
O
O
O
O
O
O
O
√
O
O
√
L
M
H
O
√
X
(√)
54
– Condiciones menos corrosivas dentro de esta categoría, por ejemplo atemperadas por humedad
baja, temperaturas bajas.
– Bastante típica de esta categoría.
– Es probable que la corrosión sea mayor que lo normal para esta categoría, por ejemplo aumentada
por humedad alta persistente, altas temperaturas ambientales, particularmente contaminantes
atmosféricos agresivos.
– Potencialmente sobreespecificado desde el punto de vista de la corrosión.
– Probablemente la mejor opción por resistencia a la corrosión y coste.
– Es probable que sufra una corrosión excesiva.
– Vale la pena considerarlo si se toman precauciones (es decir, especificando una superficie relativamente lisa y si se realiza un lavado regular).
SELECCIÓN DE LA CLASE
micas. Puede ser necesario asimismo cuantificar
el efecto de los ciclos de calentamiento/enfriamiento. Deben considerarse también la facilidad
del trabajo de taller, la disponibilidad de formas
de productos, el acabado de superficie y el
coste.
La valoración de la adecuabilidad de las
clases se ve facilitada remitiéndose a la experiencia del acero inoxidable en aplicaciones y
entornos similares. En el cuadro 1, extraído de ,
se da una guía para seleccionar clases adecuadas para entornos atmosféricos. Se basa en la
exposición prolongada de muestras de chapa de
acero inoxidable a una variedad de lugares. Para
aplicaciones más especializadas debe obtenerse siempre el asesoramiento de un experto, por
ejemplo acero inoxidable sumergido o en contacto con productos químicos.
Debe observarse precaución cuando se
considere el uso de aceros inoxidables “labrados” para métodos de unión. La incorporación
de azufre en la composición de estos aceros
(normalmente designados 303 en la clase austenítica) los hace más susceptibles a la corrosión, especialmente en ambientes industriales o
marinos.
55
4.
CONSIDERACIONES
DEL DETALLE
El paso principal para la prevención de problemas de corrosión es la selección de una clase
apropiada de acero inoxidable con procedimientos
de trabajo de taller adecuados. Además de una
selección cuidadosa de la clase de material, una
buena pormenorización y mano de obra
pueden reducir significativamente la probabilidad de manchas y corrosión, mientras que una pormenorización y mano de
obra incorrectas pueden afectar negativamente a la resistencia a la corrosión. La
siguiente guía práctica ayudará a asegurar
un rendimiento satisfactorio del material:
no todos los puntos serán aplicables siempre necesariamente.
• Evitar detalles que creen problemas de
acceso en las soldaduras y puedan provocar que se corte por defecto o una
falta de penetración.
En la figura 1 se ilustran algunas características de proyecto correctas e incorrectas para
prevenir la corrosión.
• Evitar disposiciones que permitan la acumulación de suciedad
o la concentración de productos
químicos.
• Disponer canales de drenaje
adecuados.
• Evitar huecos de fisuras, hendiduras, separaciones.
• Especificar contornos y radios
suaves para las esquinas.
• Evitar cambios pronunciados de
sección y otros potenciadores
de tensión.
• Reducir al mínimo las tensiones
de trabajo de taller seleccionando cuidadosamente los procedimientos de soldadura.
• Evitar la contaminación por
acero al carbono.
• Aislar las uniones con otros
metales.
56
Figura 1 Diseños favorable y desfavorable para evitar la corrosión
ALMACENAMIENTO Y MANIPULACIÓN
5.
ALMACENAMIENTO
Y MANIPULACIÓN
Todo el acero inoxidable debe almacenarse cuidadosamente de modo que las superficies
queden protegidas de daños o contaminación.
Los lugares de almacenamiento deben ser secos
y limpios. El uso de películas protectoras puede
ser beneficioso para aplicaciones arquitectónicas.
Puede obtenerse más información del fabricante.
Es necesario evitar la contaminación de la
superficie de los componentes de acero inoxidable
por acero al carbono en todas las fases de trabajo
de taller, manipulación, almacenamiento, transporte y montaje. en particular, el fabricante debe cuidar
de evitar la contaminación, por ejemplo aislando las
zonas o mediante procedimientos de mantenimiento específicos. El objeto de esto es evitar la recogida de carbono durante el laminado o por residuos
de pulido que pueden oxidarse al exponerse a la
humedad y manchar la superficie. Cuando se
vayan a utilizar equipos de elevación o manipulación como correas, ganchos de grúa, cadenas o
rodillos, debe colocarse un material de protección
adecuado entre el acero inoxidable y el acero al
carbono para evitar daños. Para ello resulta adecuado el cartón pesado limpio o el contrachapado
ligero. Las herramientas de montaje como brocas y
taladros deben ser de acero inoxidable para que no
se produzca contaminación de la superficie. Las
muelas deben también reservarse exclusivamente
para utilizarlas en el acero inoxidable.
El contacto con contaminantes orgánicos
como aceites, grasas, tintes, colas, cinta adhesiva y otros depósitos similares debe evitarse.
Cuando se utilicen, debe comprobarse con el
fabricante que sean adecuados. El acero inoxidable puede verse desfigurado por ciertos productos químicos y debe comprobarse que cualquier marca que se trace sobre la superficie
pueda eliminarse fácilmente.
El proyectista debe especificar todos los
requisitos visuales, de forma que el montador
pueda tener el debido cuidado para proteger la
superficie en cuestión.
Si los componentes requieren limpieza
por razones estéticas, puede utilizarse jabón,
detergente o una solución de amoníaco con
cepillos rascadores. El acero inoxidable debe
aclararse a continuación con agua limpia y
seguidamente secarse. Se recomiendan las inspecciones para detectar signos de daños mecánicos, contaminación de la superficie o ataque
corrosivo incipiente en los elementos arquitectónicos.
A veces se utilizan soluciones fuertes con
ácido para limpiar la albañilería y las baldosas de
edificios, pero no debe nunca permitirse que
entren en contacto con metal alguno, incluido el
acero inoxidable. Si esto ocurriera, debe eliminarse inmediatamente la solución ácida con
grandes cantidades de agua.
57
6.
RESUMEN FINAL
1. El acero inoxidable tiene una resistencia a
la corrosión superior a la del acero al carbono.
Esta resistencia la proporciona una película pasiva que se forma en la superficie del metal y evita
que éste reaccione con el ambiente.
2. La corrosión del acero inoxidable puede producirse cuando se utiliza una clase de material en
un ambiente para el que no es adecuado o cuando el acero inoxidable ha sido tratado de forma tal
que se ha reducido su resistencia a la corrosión.
3. Existen varios mecanismos de corrosión
diferentes que pueden afectar al acero inoxidable. Estos pueden “evitarse” mediante la selección apropiada de la clase.
4. Una buena práctica de pormenorización
desempeña un papel importante en la mejora de
58
la resistencia a la corrosión: una pormenorización incorrecta puede afectar negativamente a la
resistencia a la corrosión.
5. Cuando se utiliza acero inoxidable para
efectos arquitectónicos, es importante evitar la
contaminación de la superficie de acero inoxidable por acero al carbono que puede posteriormente oxidar y manchar la superficie.
7.
BIBLIOGRAFÍA
[1] Burgan, B. A., Concise guide to the structural
design of stainless steel, The Steel Construction
Institute, SCI-P-123, Second Edition, 1993.
[2] Nickle Development Institute, An architect's
guide on corrosion resistance, NiDI, 1990.
ESDEP TOMO 22
ACERO INOXIDABLE
Lección 22.4: Fabricación
59
OBJETIVOS/CONTENIDO
OBJETIVOS/CONTENIDO
RESUMEN
Proporcionar información sobre los procesos utilizados en el trabajo de taller de las estructuras de acero inoxidable.
En esta lección se comenta la importancia del mantenimiento de la resistencia a la
corrosión del acero inoxidable durante las operaciones de conformación, labra y ensamblaje.
Se revisan las principales características de las
técnicas de labra y conformación utilizadas para
el trabajo de taller de estructuras de acero inoxidable.
LECCIONES AFINES
Lección 22.1: Introducción al Acero
Inoxidable
61
1.
INTRODUCCIÓN
El acero inoxidable no es un material difícil de trabajar. Sin embargo, en algunos aspectos es diferente del acero al carbono y debe tratarse en consecuencia. Muchos procesos de
trabajo de taller son similares a los utilizados
para el acero al carbono, pero las diferentes
características del acero inoxidable requieren
una atención especial en ciertas áreas. Es
importante establecer una comunicación eficaz
entre el proyectista y el montador desde el principio del proyecto a fin de asegurarse de que se
pueden adoptar y se adoptan los métodos de trabajo de taller apropiados.
Un objetivo de la mayor importancia es
mantener la resistencia a la corrosión del acero.
Es esencial tomar precauciones, en todas las
fases de almacenamiento, manipulación, conformación y soldadura a fin de reducir al mínimo los
daños mecánicos u otros daños superficiales, es
decir, en la capa de óxido. Aunque esenciales,
las precauciones son sencillas y, en general, son
una cuestión de buena práctica mecánica.
Es importante preservar el buen aspecto
superficial del acero inoxidable a lo largo de todo
el trabajo de taller. Los defectos de superficie no
sólo son desagradables a la vista, sino que normalmente son inaceptables y su reparación
requiere tiempo y resulta costosa. Mientras que
normalmente en las estructuras de acero al carbono los defectos de superficie se ocultan con
pintura, en las estructuras de acero inoxidable
esto se hace raramente.
La forma de la estructura puede estar dictada por la disponibilidad de materiales. Debe
reconocerse el hecho de que la gama de perfiles
laminados de acero inoxidable es más limitada
que para el acero al carbono. Como resultado de
esta limitación, se hace un uso de barras conformadas en frío y soldadas mayor de lo habitual.
Asimismo, debido a las capacidades de los plegadores, sólo es posible obtener longitudes relativamente pequeñas. Como resultado de ello se
hace un mayor uso de los empalmes. Al detallar
las uniones, deben considerarse huelgos para
los bulones junto a los radios de flexión y para
62
los posibles problemas de ajuste que puedan
surgir como consecuencia de la deformación por
la soldadura.
Generalmente, los cuidados necesarios
para el almacenamiento y manipulación son
mayores con el acero inoxidable que con el
acero al carbono a fin de evitar dañar el acabado de superficie (especialmente los acabados
recocidos brillantes o pulidos) y para evitar la
contaminación por acero al carbono y hierro. Los
métodos de almacenamiento y manipulación
deben convenirse entre las partes contratantes
correspondientes antes de cualquier trabajo de
taller y de forma suficientemente pormenorizada
para acomodar cualquier requisito especial. Los
métodos deben abarcar, por ejemplo, los elementos siguientes:
• El acero debe revisarse inmediatamente después de la entrega para comprobar la existencia de cualquier daño en la
superficie.
• El acero puede tener un plástico protector u otro recubrimiento. Este recubrimiento debe dejarse puesto tanto como
sea posible, preferiblemente hasta que
haya finalizado todo el trabajo de taller.
• El almacenamiento en atmósferas
húmedas y salinas debe evitarse. Los
estantes de almacenamiento no deben
tener superficies de rozamiento de
acero al carbono y, por lo tanto, deben
protegerse con listones o láminas de
madera, goma o plástico. Las chapas y
planchas se apilarán de forma vertical
preferiblemente; las chapas apiladas
horizontalmente pueden pisarse, con el
consiguiente riesgo de contaminación
por hierro y daños en su superficie.
• Los equipos de elevación de acero al
carbono, por ejemplo cadenas, ganchos
y mordazas, deben evitarse. La adherencia de hierro se evitará utilizando
materiales aislantes. las horquillas o
carretillas elevadoras deben protegerse
también.
• Debe evitarse el contacto con productos
químicos, incluidas cantidades indebi-
INTRODUCCIÓN
das de aceite y grasa (que pueden manchar algunos acabados).
• Idealmente, deben utilizarse áreas de
trabajo de taller separadas para el acero
al carbono y el acero inoxidable. Sólo
deben emplearse herramientas reservadas para el acero inoxidable. Esto se
aplica particularmente a las muelas y
los cepillos metálicos. Los cepillos
metálicos y la lana de alambre deben
ser de acero inoxidable y, generalmente, de una clase equivalente en térmi-
nos de resistencia a la corrosión, por
ejemplo, no utilizar cepillos de acero
inoxidable ferrítico para el acero inoxidable austenítico.
• Como precaución durante el trabajo de
taller y el montaje, es conveniente asegurarse de eliminar cualquier rebaba
afilada que se haya formado durante las
operaciones de corte.
• Debe considerarse cualquier medida
necesaria para proteger el material acabado durante el transporte.
63
2.
LABRA DEL ACERO
INOXIDABLE
2.1 Corte
El acero inoxidable es un material caro
comparado con algunos otros metales y por lo
tanto debe tenerse un cuidado particular al marcar chapas y planchas a fin de evitar desperdicios en el corte. Si el material tiene una textura
de pulido (o una textura unidireccional) que debe
mantenerse en el trabajo de taller. Las marcas
trazadas con algunos lápices/tizas son difíciles
de eliminar o producen manchas si se utilizan
directamente sobre la superficie (en lugar de utilizar una lámina protectora). Se debe comprobar
que los lápices/tiza que se vayan a utilizar sean
satisfactorios en este respecto.
El acero inoxidable puede cortarse con
métodos normales, por ejemplo cizallamiento
(figura 1) y aserrado, pero la potencia necesaria es mayor que para espesores similares de
acero al carbono debido al endurecimiento por
medios mecánicos. En particular se necesita
más potencia para las clases austeníticas. Si es
posible, el corte (y la labra en general) debe
realizarse cuando el metal se encuentra en
estado recocido (ablandado), a fin de limitar el
endurecimiento mecánico y el desgaste de las
herramientas.
Para cortar líneas rectas se utiliza ampliamente el guillotinado. Utilizando guillotinas de
extremo abierto puede conseguirse un corte
continuo de longitud mayor que las hojas de
corte, aunque con el riesgo de introducir pequeños escalones en el borde de corte.
Las técnicas de arco de plasma se utilizan
también y resultan particularmente útiles para
cortar chapas finas y perfiles y cuando los bordes de corte deben labrarse, por ejemplo para
preparar la soldadura. el corte por oxiacetileno
no es satisfactorio para cortar acero inoxidable
salvo que se utilice una técnica de adición de
polvo.
2.2 Perforación y Punzonado
Figura 1 Corte
64
Los taladros pueden perforarse o punzonarse. Durante la perforación debe mantenerse el corte positivo a fin de evitar el endurecimiento mecánico. Para ello son
necesarias brocas afiladas con ángulos de
ahusamiento y velocidades de corte correctos. El uso de un punzón central de punta
redondeada no se recomienda, ya que este
trabajo endurece la superficie. Debe utilizarse una taladradora central o, si debe utilizarse un punzón central, debe ser de punta
triangular. Los agujeros punzonados pueden
hacerse en acero inoxidable austenítico de
hasta aproximadamente 20 mm de espesor.
El diámetro mínimo del taladro que se puede
punzonar es 2 mm mayor que el espesor de
la chapa. La distancia mínima entre agujeros punzonados debe ser la mitad del diámetro del agujero. Los agujeros punzonados
deben evitarse en ambientes corrosivos
debido a la presencia del borde endurecido
(figura 2), salvo que se escarie después el
punzonado.
LABRA DEL ACERO INOXIDABLE
inoxidables, en especial los austeníticos. De lo
contrario puede producirse un sobrecalentamiento local con el consiguiente alabeo y endurecimiento localizados, que pueden causar
corrosión bajo tensión.
Además, en aceros inoxidables que ni son
bajos en carbono ni están estabilizados, pueden
producirse precipitaciones de carburo de cromo,
con el peligro de corrosión intergranular subsiguiente en caso de que las piezas entren en contacto con entes que puedan inducirla. (En la
práctica la corrosión intergranular sólo es un problema en ambientes acídicos donde se ha soldado el acero inoxidable.)
Las muelas son abrasivos con una base
de óxido de aluminio y carburo de silicio y tienen
adherencias de dureza media y grande. Es
importante que los abrasivos no contengan ningún componente de hierro.
Figura 2 Punzonado
2.3 Amoladura
Debe tenerse en cuenta particularmente
la mala conductividad típica de todos los aceros
Debe tenerse cuidado de no utilizar muelas para amolar acero inoxidable que ya se
hayan utilizado para amolar acero al carbono. De
lo contrario la superficie del acero inoxidable
resultará contaminada, pudiendo producirse
decoloración.
65
3.
OPERACIONES
DE CONFORMACIÓN
Y ENSAMBLAJE
3.1 Conformación en Frío
El acero inoxidable se conforma mediante
las técnicas usuales de conformación en frío
como flexión, entallado, plegado y estiramiento.
Para aplicaciones estructurales la técnica de plegado en plegador es la más relevante aunque
para productos finos a gran volumen la conformación en rodillo puede ser más económica.
Para que estos procesos tengan éxito se
recomienda que el acero inoxidable se encuentre
en estado ablandado.
Además, debe recordarse que, para un
mismo espesor que se vaya a trabajar, será
necesaria más fuerza que para conformar acero
al carbono, así como menores velocidades de
conformación, especialmente para los austeníticos.
En el caso de conformación extrema debe
prestarse una atención especial a la lubricación.
3.1.1 Plegado en prensa
Este método se utiliza para obtener perfiles de varias formas. Se utilizan las prensas del
mismo tipo utilizado para el acero al carbono.
Las mejores condiciones para el plegado
se dan cuando el eje de plegado de la chapa o
fleje es perpendicular a la dirección de laminación a fin de evitar la fisuración. No obstante,
siempre es posible realizar flexiones con el eje
paralelo a la dirección de laminación, especialmente con las clases austeníticas.
Los bordes de los extremos del fleje y la
chapa no deben tener rebabas, ya que de lo contrario podrían producirse fisuras, especialmente
si el radio de plegado es pequeño en comparación con el espesor. La recuperación elástica es
mayor que en el acero al carbono. Así, deben
66
planearse ángulos sobreplegados adecuados
para obtener los ángulos requeridos en la pieza
acabada.
Para doblar fleje y chapa de acero inoxidable se utilizan con éxito matrices de elastómero. Presentan la ventaja, sobre las de acero, de
que proporcionan una protección máxima al acabado de superficie y son una garantía contra la
contaminación.
3.1.2 Conformación en rodillo
la conformación del fleje se realiza
mediante una sucesión continua de plegados en
torno a ejes paralelos a la dirección de laminación (la peor condición). Así pues, es necesario
graduar los ángulos y los radios de curvatura
adecuadamente según el espesor del fleje.
También es conveniente mantener el fleje a tracción durante la conformación incrementando los
diámetros de los rodillos en aproximadamente
un 1% en cada soporte de rodillo desde los de
entrada hasta los de salida.
En la figura 3 se muestra una secuencia
correcta de conformación de un fleje de acero
inoxidable. Se indican los valores de los ángulos
y los radios de curvatura, fase por fase, para una
clase austenítica.
3.1.3 Plegado
Para chapa y fleje, el plegado se realiza
por conformación en tres rodillos, un método
similar al utilizado para el acero al carbono, pero
debe recordarse que la recuperación elástica es
mayor, especialmente en las clases austeníticas.
Para los perfiles laminados en frío o plegados en prensa, el plegado se realiza normalmente por estiramiento y posiblemente también
utilizando compresión (figura 4) para evitar la disgregación. La disgregación puede producirse en
el acero inoxidable, que se utiliza generalmente
con espesores menores que el acero al carbono.
Esta técnica permite asimismo reducir los efectos de la recuperación elástica.
OPERACIONES DE CONFORMACIÓN…
ción especial. La técnica más apropiada
es utilizar dispositivos conformadores de
rotación, preferiblemente dotados de un
rodete y posiblemente articulados para
flexiones extremas.
º
En el caso más frecuente de tubos
soldados se recomienda, especialmente
para las clases ferríticas, situar la soldadura en correspondencia con la fibra
neutra. La recuperación elástica es particularmente grande en las clases austeníticas.
º
º
º
3.1.4 Estiramiento profundo
º
º
º
La pieza troquelada tiene un área
igual a la suma de la base y las áreas laterales de los elementos acabados, posiblemente con el añadido de una sección periférica para tener en cuenta el tamaño del
ala requerida para regular el flujo de
material (figura 5). El espesor de la pieza
troquelada depende del de los lados del
elemento acabado, teniendo en cuenta
que el espesor final puede reducirse tanto
como un 20-30%.
º
º
º
El perfil de la pieza troquelada es
circular cuando el elemento terminado
tiene secciones transversales compatibles con ese perfil. Cuando las secciones transversales no son circulares se utiliza un perfil
poligonal.
Figura 3 Secuencia correcta de conformación de una sección laminada en frío de acero inoxidable austenítico
Para tubos, en los que generalmente también se utilizan espesores menores que en el
acero al carbono, debe observarse una precau-
Cuando es necesario un estiramiento
muy profundo debe aplicarse un tratamiento
térmico adecuado para ablandar el material a
fin de facilitar el estiramiento una vez el material ha alcanzado su límite.
Los radios de unión y los huelgos entre
punzón y matriz son particularmente importantes (figura 6).
Figura 4 Plegado de una sección por conformación en rodillos
y estiramiento
Debe prestarse una atención especial a
la selección de los materiales y el acabado de
las matrices, así como a la lubricación para
evitar el agarrotamiento.
67
3.2 Soldadura
Es necesario ser muy consciente de las
diferencias en las propiedades físicas del acero
inoxidable respecto al acero al carbono.
Debe consultarse la bibliografía especializada para determinar los parámetros correctos de operación. En particular, en ambientes
donde puede producirse corrosión intergranular, es prudente seleccionar un acero inoxidable bajo en carbono o estabilizado cuando se
va a soldar material más grueso, puesto que el
espesor límite depende del proceso de soldadura y del ambiente real. Todas las técnicas de
soldadura pueden utilizarse con las clases austeníticas, pero existen instrucciones particulares para soldar clases ferríticas y martensíticas.
Figura 5 Estiramiento profundo
de una forma cilíndrica
El acero inoxidable puede asimismo soldarse al acero al carbono para obtener estructuras híbridas. Deben emplearse técnicas apropiadas, incluido un metal de aportación y
electrodos altamente aleados a fin de compensar la dilución del cordón de soldadura debido a
la presencia de acero al carbono. Cuando la soldadura ha terminado, todo el acero al carbono,
incluido el nervio de soldadura, debe protegerse
cuidadosamente con una pintura adecuada.
Estas estructuras híbridas deben proyectarse
con mucho cuidado para evitar los peligros de la
corrosión bimetálica.
3.2.1 Soldadura por fusión
Estas técnicas utilizan la fusión de los bordes de las piezas que se van a unir, junto con la
del metal de aportación.
Normalmente todas las clases austeníticas pueden soldarse por fusión. Para otros
tipos de acero inoxidable es necesario examinar cada situación y seleccionar el sistema más
adecuado.
Figura 6 Parámetros geométricos habituales
para estiramiento profundo
68
Las técnicas utilizadas con mayor frecuencia en la práctica son:
OPERACIONES DE CONFORMACIÓN…
Soldadura manual por arco eléctrico
Deben utilizarse preferentemente equipos
de soldadura de corriente continua y polaridad
inversa para asegurar una mejor penetración
(figura 7).
Esta técnica puede utilizarse en espesores no menores de 1 a 1,5 mm y no requiere preparación especial de los bordes hasta un espesor de aproximadamente 4 mm. Para uniones
con espesores mayores se requiere una preparación especial de los bordes utilizando una
herramienta de calafateo apropiada.
Las piezas que se van a soldar deben
sujetarse firmemente juntas, especialmente las
clases austeníticas, puesto que estos materiales
tienen un alto coeficiente de dilatación térmica.
Soldadura por tungsteno - gas inerte (TIG)
Esta técnica se utiliza mucho para el
acero inoxidable, en particular las clases austeníticas.
El electrodo consiste en una varilla no
consumible de aleación de tungsteno-torio y el
Figura 7 Polaridad en el soldeo directo
arco está protegido por un chorro de gas inerte
(argón, posiblemente con adicción de hidrógeno).Se utiliza con polaridad directa (figura 7).
No es necesario utilizar material de aportación para espesores de hasta 1,5 mm con una
preparación adecuada (figura 8), mientras que
para espesores mayores (hasta 5 - 6 mm, que es
el límite práctico para esta técnica) debe utilizarse aportación. Los bordes deben en todos los
casos acoplarse bien y fijarse juntos.
Para conseguir una soldadura correcta,
especialmente en el caso de espesores mayores, la protección por gas inerte debe aplicarse
también al reverso de la soldadura.
Soldadura por metal - gas inerte (MIG)
Esta técnica difiere de la anterior en el
hecho de que el electrodo consiste en un alambre de acero inoxidable consumible enrollado en
una bobina. El gas de inicio está compuesto por
mezclas adecuadas a base de argón, según el
sistema de transferencia del metal de aportación
durante la soldadura.
Básicamente, los sistemas de soldadura
utilizados son: arco por cortocircuito (y su derivación, arco pulsado) para espesores menores
de 2 - 3,5 mm y arco pulverizado para espesores mayores, de hasta 8 mm. Para espesores
mayores, el método presenta un interés menor.
Figura 8 Preparación de chapas con espesores menores
de 1,5 mm para el soldeo TIG sin varilla de metal
de aportación
69
Soldadura por arco-plasma
Soldadura continua
Ésta es una técnica de soldadura que
opera siempre en presencia de gas inerte y
que, con el método de “ojo de cerradura”, permite realizar la soldadura de una sola pasada
sin ninguna preparación especial de las piezas,
que simplemente deberán acoplarse y sujetarse juntas. La alimentación utiliza polaridad
directa.
Este método permite la soldadura continua de espesores de aproximadamente 0,5 a 4
mm.
La velocidad de soldadura es considerablemente mayor que con los otros sistemas mencionados.
El sistema de microplasma puede utilizarse para espesores entre 0,02 mm y 1,5 mm,
ambos incluidos.
En este caso también, la presión en los
electrodos debe ser mayor que en el acero al
carbono, a espesor igual. Deben escogerse
parámetros de soldadura adecuados para las
clases austeníticas, mientras que los parámetros
no difieren mucho de los del acero al carbono
para las clases ferríticas y martensíticas.
Las uniones realizadas con este sistema
son estancas al agua y al gas.
3.3 Bulones, Remaches y Tornillos
3.2.2 Soldadura por resistencia
Con esta técnica se consigue la fusión de
una pequeña parte de los materiales que se
deben unir. El metal de aportación no es necesario y la junta en el punto de unión se consigue
mediante el efecto Joule.
La técnica puede utilizarse para todos los
tipos de acero inoxidable, ya que estos aceros
tienen una resistividad eléctrica importante.
Soldadura por puntos
Este método puede utilizarse para espesores entre aproximadamente 0,4 y 3 mm ambos
incluidos.
Debe recordarse que con este tipo de soldadura siempre es necesario ejercer más fuerza
en los electrodos que la que se ejerce, a espesor
igual, para el acero al carbono.
Los demás parámetros no difieren mucho
de los utilizados en el acero al carbono en el
caso de las clases ferríticas y martensíticas. Son
necesarios parámetros apropiados para las clases austeníticas (menor corriente y menor tiempo de soldadura).
70
Cuando se unen dos elementos de acero
inoxidable es absolutamente necesario utilizar
elementos de acero inoxidable u otros materiales
con una resistencia a la corrosión equivalente.
Si se tuvieran que utilizar bulones, remaches y tornillos de acero al carbono u otros materiales no nobles, se corroerían rápidamente debido a la corrosión electrolítica. La estructura de
acero inoxidable actuaría como un gran cátodo y
el elemento de unión, en este caso, actuaría
como un ánodo pequeño.
Cuando se unen elementos de acero inoxidable a elementos estructurales de acero al
carbono, el elemento de acero al carbono debe
protegerse bien mediante una pintura adecuada.
Deben utilizarse remaches, tornillos y bulones de
acero inoxidable y el elemento de acero al carbono debe aislarse adecuadamente del elemento de acero inoxidable (figura 9).
Los remaches, tornillos y bulones de
acero inoxidable (que actúan como cátodos)
pueden utilizarse para estructuras de otros materiales menos nobles (que actúan como grandes
ánodos) sin ninguna precaución particular.
Se recomienda que el estado del material
de tornillería sea el de trabajado en frío, clase de
OPERACIONES DE CONFORMACIÓN…
La soldadura de bloqueo de la tuerca
al bulón no debe permitirse nunca, ya que los
materiales están formulados para soldadura
por resistencia y no para soldadura por
fusión.
3.4 Unión por adhesivos
Figura 9 Detalle habitual de unión entre materiales diferentes
(para evitar la corrosión electrolítica)
Los aceros inoxidables pueden unirse
entre sí o a otros materiales para realizar
uniones estructurales. Pueden utilizarse
muchos tipos de adhesivos (resina de cyanoacrilato, resina epoxy, resina fenólica, resina
de poliuretano, etc.) según las características
que requiera la unión.
propiedad 70 como mínimo. Los materiales de
tornillería no deben utilizarse en estado ablandado debido a la propensión a la excoriación. Esta
propensión se reduce mediante:
Es importante hacer hincapié en el hecho
de que, cuando se utiliza este tipo de técnica de
unión, debe proyectarse y ejecutarse correctamente.
• la utilización de roscas laminadas, en
lugar de labradas.
• evitando el uso de roscas finas y formas
de rosca con ajuste apretado.
• lubricación.
No es posible utilizar este método para
uniones proyectadas para ser realizadas
mediante soldadura, aunque pueden diseñarse
uniones mixtas, realizadas por soldadura y adhesivos.
71
4.
INSPECCIÓN
Los métodos de inspección no destructivos
para detectar defectos superficiales y/o internos en
elementos de acero inoxidable y en elementos prefabricados se relacionan con algunas propiedades
de los diversos tipos de acero inoxidable.
Pueden utilizarse los siguientes métodos
en todos los tipos de acero inoxidable:
• inspección visual para detectar defectos de superficie surgidos en el trabajo
de taller.
• comprobaciones con líquidos penetrantes (tinte penetrante) para detectar defectos de superficie, especialmente en las soldaduras.
• comprobaciones por radiografía y
gammagrafía para investigar la presencia de defectos en el interior de la pieza
que no son evidentes en la superficie,
especialmente en las soldaduras.
• comprobaciones por ultrasonidos
para detectar defectos en el interior de
72
la pieza o en las soldaduras. Los métodos ultrasónicos son muy sensibles y
permiten identificar la situación del
defecto con una gran precisión.
• Comprobaciones de corriente parásita (también conocida como “corriente
inducida”), se utilizan generalmente con
una alta velocidad de comprobación en
elementos de construcción de acero
inoxidable, para detectar defectos internos o los que están a punto de aparecer
en la superficie, por ejemplo en tubos
soldados.
Los métodos siguientes sólo pueden utilizarse en aceros ferríticos y martensíticos:
• comprobaciones magnetoscópicas
(inspección de partículas magnéticas) para identificar defectos en la
superficie o inmediatamente debajo de
la misma. La limitación a estos tipos de
acero inoxidable se debe a la necesidad de que el componente o la estructura sometidos a examen sean ferromagnéticos.
ACABADO
5.
ACABADO
El acabado de superficie del acero inoxidable es un criterio importante en el proyecto y
debe especificarse claramente conforme a los
requisitos arquitectónicos o funcionales. Cuanto
más fino es el acabado, mayor es el coste. Las
precauciones adoptadas al principio durante la
manipulación y la soldadura ayudan substancialmente a reducir los costes de acabado. La programación inicial es importante para reducir costes. Por ejemplo, si la soldadura tubo a tubo en
un pasamanos o barandilla se oculta en el interior de un montante, el coste de acabado se
reducirá y se obtendrá una mejora significativa
del aspecto final del pasamanos.
La superficie del acero debe restaurarse a
su condición de resistencia a la corrosión eliminando toda capa de óxido y contaminación. El
decapado en un baño ácido ablandará la capa
de óxido, permitiendo eliminarla por cepillado
con un cepillo de pelo de plástico o de acero inoxidable, al tiempo que se disolverán las partículas de hierro o de acero al carbono incrustadas.
Los tratamientos abrasivos como la amoladura, el acabado, el pulido y el pulido con
rueda de trapo producen acabados unidireccio-
nales. Así, la combinación de soldaduras puede
no resultar fácil en chapas/planchas con superficies laminadas normales. Puede ser necesario
un cierto grado de experimentación para determinar procedimientos detallados para obtener
una acabado adecuado.
El pulido electrolítico elimina una fina
capa superficial. Puede obtenerse una variedad
de acabados, de mate a brillante, dependiendo
en gran medida de la superficie inicial del material.
Existen otros procesos de acabado (electrochapado, agitación en tambor, erosión selectiva, coloreado y oscurecimiento de superficie).
Estos procesos se utilizan rara vez para el acero
inoxidable estructural y por ello no se mencionan
más aquí.
Cabe señalar que la superficie debe estar
libre de contaminantes en la estructura montada.
Debe considerarse en particular la posibilidad de
contaminación originada por trabajos en estructuras metálicas al carbono adyacentes, especialmente por polvo de amoladura. El acero inoxidable debe protegerse mediante lámina de plástico
extraible o bien debe especificarse la limpieza
final una vez terminada la estructura.
73
6.
RESUMEN FINAL
• Las estructuras de acero inoxidable no
son difíciles de realizar pero es necesario
cuidar el producto a fin de evitar una costosa restauración de la superficie del
acero.
• Pueden utilizarse métodos clásicos de
unión para elementos de acero inoxidable
siempre que se tengan en cuenta algunas
particularidades del material que requieren
una atención especial.
• Para elaborar las distintas formas, se utilizan principalmente las técnicas de conformación en frío.
7.
BIBLIOGRAFÍA
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Hoepli, 2nd edition, Milano 1981, Los aceros
74
inoxidables, Ebrisa, 1st edition, Barcelona
1987.
2. Dier, A. F., “Design Manual for Structural
Stainless Steel”, A publicar por EURO INOX,
1993.
3. Lacombe, P., Baroux, B., Beranger, G., Les
aciers inoxydables, Les éditions de physique,
Les Ulis 1990.
4. Lula, R. A., Stainless Steel, ASM, Metals
Park, Ohio 1986.
5. Peckner, D., and Bernstein, I. M., Handbook
of Stainless Steels, McGraw-Hill Book Company,
New York 1977.
6. Schierhold, P., Nichtrostende Stähle, Verlag
Stahleisen MBH, Düsseldorf 1990.
DIAPOSITIVAS COMPLEMENTARIAS
DEL TOMO 22: ACERO INOXIDABLE
75
T22c1 Edificio Chysler, Nueva York, EEUU (1926-1929)
T22c2 Iglesia de Vimodrome, Italia (1990-1991)
T22c3 Iglesia de Vimodrome, Italia
T22c4 Chimenea aislada de acero inoxidable
77
T22c5 Planetario, Stuttgart, Alemania (1977)
T22c6 Rejilla
T22c7 Planetario, Stuttgart, Alemania
T22c8 Eurotúnel
T22c9 Torre, Italia
78
T22c10 Pasarela en el puerto
T22c11 Barandilla de acero inoxidable en Pont-de-l’Arche,
Francia
T22c12 Marquesina de autobús, Dusseldorf, Alemania
T22c13 Estación de ferrocarril, Annecy, Francia
T22c14 Montaje de paneles de acero inoxidable para
fachadas
T22c15 Talleres de estación de autobuses, Doncaster,
Reino Unido
T22c16 Hospital St. Mary, Isla de Wight, Reino Unido
(1990)
79
T22c17 Canary Wharf- Número 1 Canadá Square,
Londres, Reino Unido
T22c18 City Terminus, Stocolmo, Suecia
T22c19 Talleres ferroviarios, Cleveland, Ohio, EEUU
T22c20 Edificio en Saronno, Italia
T22c21 Colegio en Montceaux-les-Mines, Francia
T8c22 Terminal Internacional, Waterloo, Londres, Reino
Unido
80
T22c23 Cubierta Japonesa
T22c24 Planetario de Bochum, Alemania
T22c25 Instalaciones deportivas de la Universidad de
Dalhouise, Nueva Escocia, Canadá
T22c26 Soldadura en paneles de cubierta de acero inoxidable
T22c27 Marquesina del Hotel Savoy, Londres, Reino Unido
T22c28 Centro Comercial nº 2, Bercy, París, Francia
(1990)
T22c29 Centro de exposiciones, Munich, Alemania
T22c30 Escaleras de estación de metro, Londres, Reino
Unido
81
T22c31 Lloyds, Londres, Reino Unido
T22c32 Thames Tidal Barrier, Londres, Reino Unido
T22c34 La Geode, Parc de la Villette, París, Francia
T22c33 Farolas de alumbrado
82