Materials de Construcció: Siderúrgia, Acers i Betums — UPC

I 0 flashcards i 7 preguntes més al document.

Text del document

APUNTS MATERIALS DE CONSTRUCCIÓ Grau en Enginyeria Civil Universitat Politècnica de Catalunya AprenAI 2026-2027 Apunts per a Enginyeria Civil (UPC): diagrama Fe-C, tractaments tèrmics, armadures i perfils, reologia de lligants i disseny de mescles bituminoses. APREN.AI Índex Metal·lúrgia del ferro 1 Diagrama Fe-C i microestructures Fonaments dels diagrames de fases i solubilitat sòlida Fases principals del sistema ferro-carboni La reacció eutectoide i la formació de perlita Classificació microestructural dels acers Càlcul de fases i grans mitjançant la regla de la palanca 2 Producció i conformació de l'acer 1. Matèries primeres i reducció a l'alt forn 2.

Foses de ferro i afinament de l'acer (BOF i forn elèctric) 3. Colada i conformació plàstica: laminació i trefilat 3 Tractaments de l'acer — Tractaments tèrmics, diagrames TTT i superficials Constituents de l'acer i efecte del carboni Deformació plàstica i recristal·lització Tractaments tèrmics de volum Cinètica de transformació i diagrames TTT Tractaments superficials d'enduriment 4 Acers estructurals — Armadures per a formigó i perfils estructurals Armadures passives per a formigó armat Armadures actives per a formigó pretensat Acers per a estructures metàl·liques Acers inoxidables 5 Materials bituminosos — Origen, composició i reologia dels lligants 1.

Origen dels lligants i procés d'obtenció 2. Composició química i estructura col·loidal 3. Reologia, viscoelasticitat i comportament en servei 4. Assaigs clàssics de laboratori i caracterització 5.

Índex de Pfeiffer i classificació dels betums 6 Lligants modificats i emulsions — Betums amb polímers i tractaments superficials Modificació de lligants bituminosos: objectius i tipus de polímers Estabilitat a l'emmagatzematge i resposta viscoelàstica dels PMB Emulsions bituminoses: estructura col·loidal i trencament Recs asfàltics i tractaments superficials Materials de Construcció: Siderúrgia, Acers i Betums — UPC 1 7 Mescles bituminoses — Components, dosificació i posada en obra Estructura del ferm de carretera i capa de rodadura Components de la mescla bituminosa i requisits dels àrids Tipologies i classificació de les mescles bituminoses Càlcul volumètric i assaigs de comportament mecànic Fabricació industrial i posada en obra 8 Formulari 1.

Metal·lúrgia del ferro i diagrama Fe-C 2. Tractaments tèrmics i superficials de l'acer 3. Acers estructurals i armadures 4. Lligants bituminosos i mescles asfàltiques Constants i criteris d'acceptació crítics Solucions de les preguntes de repàs Aquests apunts poden contenir errors o omissions. Són un material de suport i no substitueixen el temari oficial ni el professorat: contrasta la informació important. Materials de Construcció: Siderúrgia, Acers i Betums — UPC 2 1 Diagrama Fe-C i microestructures EN ACABAR SABRÀS Distingir les fases fonamentals del diagrama ferro-carboni (ferrita, austenita i cementita) i els seus límits de solubilitat.

Explicar el mecanisme de la reacció eutectoide i la naturalesa laminar de la perlita. Classificar els acers en hipoeutectoides, eutectoides i hipereutectoides segons la seva microestructura. Calcular les quantitats de fases i de grans mitjançant la regla de la palanca. PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 1 Per què un contingut de només un 1 % de carboni canvia tan radicalment la duresa i la fragilitat del ferro? L'estudi dels materials metàl·lics requereix entendre com s'associen els elements químics per donar lloc a les diferents fases i estructures internes.

El sistema ferro-carboni és la base fonamental de la siderúrgia, ja que determina de manera directa la proporció dels constituents i el comportament mecànic dels acers i les foses. Metal·lúrgia del ferro 1 Diagrama Fe-C i microestructures 2 Producció i conformació de l'acer Materials de Construcció: Siderúrgia, Acers i Betums — UPC 3 ESQUEMA Estructura del curs de Materials Fonaments dels diagrames de fases i solubilitat sòlida Un aliatge és una mescla sòlida d'almenys dos elements químics on com a mínim un d'ells és metàl·lic. Els components purs inicials intervenen aportant àtoms a la xarxa.

Quan un sistema assoleix l'equilibri de fases, l'energia lliure és mínima i les condicions de temperatura, pressió i composició no experimenten variacions temporals. DEFINICIÓ Una fase és una porció homogènia d'un sistema que presenta característiques físiques i químiques uniformes en tota la seva extensió. Els diagrames de fases binaris representen gràficament l'estat d'equilibri a una pressió constant d'una atmosfera en funció de la composició i la temperatura. Un sistema binari isomorf presenta miscibilitat o solubilitat completa tant en estat líquid com en sòlid.

En un procés de refredament extremadament lent, la difusió atòmica permet obtenir una composició homogènia a cada gra cristal·lí. En canvi, durant un refredament real es produeix una zonació o gradient de concentració degut a la manca de temps de difusió suficient.

Siderúrgia i acers Metal·lúrgia, tractaments i aplicacions estructurals Diagrama Fe-C i fases Microestructures i termodinàmica de fases Producció siderúrgica Alt forn, convertidors i conformat Tractaments tèrmics Corbes TTT, tremp i recuits Acers estructurals Armadures passives i perfils laminats Materials bituminosos Lligants, emulsions i mescles d'aglomerat Lligants hidrocarbonats Origen del betum i reologia Modificats i emulsions Polímers i tractaments superficials Mescles bituminoses Classificació, assajos i posada en obra Materials de Construcció: Siderúrgia, Acers i Betums — UPC 4 Gràfica de diagrama de fases isomorf i aplicació de la palanca.

En molts sistemes metàl·lics apareixen reaccions invariants a una temperatura fixa: Reacció eutèctica: transformació isotèrmica i reversible d'una fase líquida en dues fases sòlides íntimament barrejades. Reacció eutectoide: transformació isotèrmica i reversible d'una fase sòlida preexistent en dues fases sòlides noves i íntimament mesclades. COMPROVA-HO 2 Quina és la diferència principal entre una reacció eutèctica i una reacció eutectoide? Fases principals del sistema ferro-carboni El ferro pur presenta diferents estructures cristal·lines segons la temperatura.

En afegir-hi carboni, es formen solucions sòlides intersticials o compostos químics definits segons la xarxa cristal·lina: Fase Estructura cristal·lina Solubilitat màxima de carboni Característiques mecàniques Ferrita ( ) Cúbica centrada en el cos (CC) 0,02 % a 727 ºC (0,008 % a temp. ambient) Molt tova, dúctil, gairebé ferro pur a temperatura ambient. Austenita ( ) Cúbica centrada a les cares (CCC) 2,11 % a 1148 ºC (0,77 % a 723 ºC) Estable només a alta temperatura (mínim 723 ºC), deformable. Cementita ( ) Compost intermetàl·lic 6,7 % en pes de C (fixa) Compost químic (carbur de ferro), extremadament dur i trencadís.

La frontera clàssica entre tipus d'aliatges rau en el contingut màxim de carboni: els acers contenen menys d'un 2,1 % de C, mentre que les foses presenten un percentatge de carboni superior al 2,1 %. La reacció eutectoide i la formació de perlita A la temperatura de 723 ºC (o 727 ºC segons la bibliografia de referència), l'austenita que conté un 0,77 % de carboni es descompon de manera eutectoide per donar lloc a la perlita: Fe α Fe γ Fe C 3 Materials de Construcció: Siderúrgia, Acers i Betums — UPC 5 La perlita no és una fase química independent, sinó un constituent microestructural bifàsic format per làmines alternades de ferrita i cementita.

Visualment al microscopi apareix com una empremta laminar característica. Esquema del punt eutectoide i micrografia de la perlita laminar. PER RECORDAR-HO Distingeix sempre entre fases (les espècies químiques homogènies: només ferrita i cementita a temperatura ambient) i constituents o grans (les entitats microestructurals: ferrita lliure, perlita i cementita lliure). COMPROVA-HO 3 Per què la perlita no es considera una fase única en el diagrama de fases?

Classificació microestructural dels acers Segons el percentatge de carboni respecte al punt eutectoide de 0,77 % de C, els acers es divideixen en tres categories que condicionen la seva morfologia interna: Acer eutectoide ( ): tota l'austenita es transforma íntegrament en perlita (100 % perlita). Acer hipoeutectoide ( ): durant el refredament precipita primer ferrita proeutectoide a les vores de gra de l'austenita. En creuar la isoterma eutectoide, l'austenita restant es transforma en perlita. L'estructura final conté grans de ferrita proeutectoide i colònies de perlita.

γ (0,77% C) 723 C α (0,02% C) + Fe C (6,7% C) 3 0,77% C % C < 0,77% Materials de Construcció: Siderúrgia, Acers i Betums — UPC 6 Acer hipereutectoide ( ): precipita primer cementita proeutectoide formant una xarxa a les vores de gra. La resta d'austenita es converteix en perlita a 723 ºC. La microestructura resultant consta de grans de cementita proeutectoide i perlita. Diagrama de transformació de fases durant el refredament d'acer hipoeutectoide. ERROR FREQÜENT Mai coexisteixen grans aïllats de ferrita i grans de cementita en contacte directe lliure en un acer refredat en equilibri. Sempre es troba ferrita + perlita (en hipoeutectoides) o bé perlita + cementita (en hipereutectoides).

Assenyalar una microestructura amb ferrita lliure tocant cementita lliure és un error greu de concepte.

Càlcul de fases i grans mitjançant la regla de la palanca Per determinar quantitativament les fraccions de fases o de grans microestructurals s'aplica la regla de la palanca sobre el segment de composicions corresponent: % C > 0,77% Materials de Construcció: Siderúrgia, Acers i Betums — UPC 7 EXEMPLE Cas 1: Acer hipoeutectoide amb 0,3 % de C (refredat lentament fins a temperatura ambient, considerant la solubilitat de C a la ferrita com a menyspreable, 0%): Càlcul de fases totals ( i entre 0 % i 6,7 % C): Càlcul de grans o constituents microestructurals (ferrita proeutectoide i perlita entre 0 % i 0,77 % C): Cas 2: Acer hipereutectoide amb 1,2 % de C: Càlcul de fases totals: Càlcul de grans microestructurals (cementita proeutectoide i perlita entre 0,77 % i 6,7 % C): COMPROVA-HO 4 Quina fracció de perlita s'obté en un acer amb 0,77 % de carboni a temperatura ambient?

Fe α Fe C 3 % Fe = α × 6,7 6,7 0,3 100 = 95,52% % Fe C = 3 × 6,7 0,3 100 = 4,48% % Ferrita proeutectoide = × 0,77 0,77 0,3 100 = 61,04% % Perlita = × 0,77 0,3 100 = 38,96% % Fe = α × 6,7 6,7 1,2 100 = 82,09% % Fe C = 3 × 6,7 1,2 100 = 17,91% % Perlita = × 6,7 0,77 6,7 1,2 100 = 92,75% % Cementita proeutectoide = × 6,7 0,77 1,2 0,77 100 = 7,25% Materials de Construcció: Siderúrgia, Acers i Betums — UPC 8 IDEES CLAU Els diagrames de fases representen l'equilibri termodinàmic entre diferents fases a pressió constant segons la composició i la temperatura.

L'austenita ( ) té una estructura CCC amb una solubilitat màxima de carboni del 2,11% a 1148 ºC, mentre que la ferrita ( ) té una estructura CC amb un límit de només 0,02% a 727 ºC. La cementita és un compost intermetàl·lic ( ) de gran duresa i fragilitat que conté un 6,7% en pes de carboni. La reacció eutectoide té lloc a 723 ºC / 727 ºC i un 0,77% de carboni, transformant l'austenita en perlita (làmines alternades de ferrita i cementita). En condicions d'equilibri, la ferrita lliure i la cementita lliure mai coexisteixen com a grans aïllats en contacte: els acers estan formats per ferrita + perlita (hipoeutectoides) o per perlita + cementita (hipereutectoides). COMPROVA EL QUE HAS APRÈS 5.

Quina diferència cristal·logràfica i de solubilitat de carboni hi ha entre la ferrita i l'austenita? 6. Quins constituents microestructurals (grans) s'observen a temperatura ambient en un acer amb 0,4% de carboni? METAL·LÚRGIA DEL FERRO 2 Producció i conformació de l'acer EN ACABAR SABRÀS Descriure les reaccions de reducció de l'alt forn i l'obtenció d'arrabi líquid. Distingir les foses de ferro dels acers segons el contingut de carboni i la microestructura. Explicar l'afinament en convertidor d'oxigen (BOF) i en forn d'arc elèctric. Relacionar la colada contínua amb les operacions de conformació per laminació i trefilat.

PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 7 Per què el metall líquid que surt directament de l'alt forn no es pot emprar directament per a construir ponts o bigues estructurals? 1. Matèries primeres i reducció a l'alt forn Dels elements de la taula periòdica, una gran majoria són metalls que presenten enllaç metàl·lic, amb electrons lliures que els atorguen una alta conductivitat elèctrica i tèrmica, ductilitat i mal·leabilitat.

En estat sòlid cristal·litzen habitualment en xarxes cúbica centrada en el cos (CC), cúbica centrada en les Fe γ Fe α Fe C 3 Materials de Construcció: Siderúrgia, Acers i Betums — UPC 9 cares (CCC) o hexagonal compacta (HC), admetent soluts en solució sòlida de tipus substitucional o intersticial. El ferro és el quart element més abundant a l'escorça terrestre i s'extreu a partir de minerals com la magnetita, l'hematites, la limonita, la goetita, la siderita i la taconita, acompanyats d'una fracció estèril anomenada ganga. Històricament s'obtenia ferro dolç o forjat mitjançant forja o per pudelatge, remenant el metall fos en contacte amb l'aire per cremar carboni i sofre.

En la siderúrgia moderna, la producció primària comença a l'alt forn. Aquest reactor vertical rep una càrrega superior formada per mineral de ferro, carbó de coc (que aporta energia tèrmica i actua com a agent reductor) i fundents destinats a reaccionar amb la ganga per formar l'escòria i rebaixar la temperatura de fusió. Segons la naturalesa de les impureses, s'utilitzen fundents àcids (com argila o sorra de quars: sílice i alúmina) o fundents bàsics (calcària o dolomia). Esquema de les zones de reacció i temperatures a l'alt forn.

A l'interior de l'alt forn s'estableix un gradient tèrmic descendent d'avall cap a dalt, produint-se reaccions químiques esglaonades: Al gresol inferior s'acumulen dos líquids immiscibles que se separen per densitat. L'escòria sobrenada amb una densitat aproximada de 2,7-2,8 g/cm³, protegint el metall líquid, mentre que al fons decanta l'arrabi (ferro fos de primera fusió), amb una densitat propera a 7,85 g/cm³. Combustió inferior (~1500 °C): L'aire calent injectat per les toveres reacciona amb el coc segons la reacció , generant calor i transformant-se posteriorment en monòxid de carboni: .

1 C + O 2 CO 2 C + CO 2 2CO Descomposició del fundent i formació d'escòria (~1000 °C): La calcària es descompon ( ) i l'òxid de calci s'uneix a la sílice ( ), originant un silicat vítric líquid. 2 CaCO 3 CaO + CO 2 CaO + SiO 2 CaSiO 3 Reduccions successives del ferro (600 °C - 750 °C): Els gasos reductors redueixen els òxids superiors primer a òxid ferrós ( ) i finalment a ferro metàl·lic ( ). 3 Fe O + 2 3 CO 2FeO + CO 2 FeO + CO Fe + CO 2 Materials de Construcció: Siderúrgia, Acers i Betums — UPC 10 COMPROVA-HO 8 Quina funció tenen els fundents afegits a l'alt forn respecte a la ganga del mineral? 2.

Foses de ferro i afinament de l'acer (BOF i forn elèctric) L'arrabi extret conté un contingut elevat de carboni, entre un 2,6% i un 4,3% de carboni, a més de contaminants com sofre, fòsfor, manganès i silici. Aquest metall no té la ductilitat requerida per a aplicacions estructurals, on l'acer necessita menys del 2,1% de C (i típicament un màxim de l'1% per a construcció). Segons la presència de carboni lliure o combinat, es distingeixen dos grans grups de foses: Tipus de fosa Estat del carboni Microestructura i velocitat de refredament Propietats característiques Fosa blanca Carboni combinat en forma de cementita ( ). Refredament ràpid; sense grafit lliure.

Elevada duresa, fragilitat extrema i nul·la mal·leabilitat. Fosa grisa Carboni lliure en forma de làmines de grafit (%Si > 1%). Refredament moderat (matriu perlítica) o lent (matriu ferrítica). Resistència a tracció moderada (150- 430 MPa), fràgil, baix cost, fàcil mecanització i alta resistència al desgast. Per transformar aquest producte en acer, cal dur a terme l'afinament o descarburació. Aquest procés redueix el carboni per sota del límit canònic del 2,1% i elimina les impureses oxidades: Convertidor d'oxigen bàsic (BOF): Es carrega amb ferro fos líquid procedent de l'alt forn, fins a un 30% de ferralla metàl·lica com a refrigerant i fundent calcari.

S'injecta oxigen pur a alta pressió mitjançant una llança refrigerada. L'oxigen oxida selectivament el carboni excedent (alliberat com a gasos CO i ) i oxida el silici, manganès i fòsfor, que queden retinguts a l'escòria bàsica. Forn d'arc elèctric: Es fon una càrrega sòlida composta majoritàriament per ferralla d'acer, ferro fos o mineral de ferro i carbonat càlcic mitjançant arcs elèctrics establerts entre elèctrodes de grafit. Després de la fusió i oxidació de les impureses, es retira la primera escòria negra oxidant i es procedeix a la desoxidació i afinament final (sovint en forn cullera amb calç i fluorita ), ajustant la composició afegint carboni, manganès o crom.

ERROR FREQÜENT Confondre l'arrabi amb l'acer estructural: l'arrabi és el producte brut directe de l'alt forn amb un 2,6-4,3% de carboni i una fragilitat excessiva. Per obtenir acer cal sotmetre'l obligatòriament a descarburació i afinament (BOF o forn elèctric) per situar el contingut de C per sota del 2,1%. COMPROVA-HO 9 Quin paper té la ferralla metàl·lica que s'introdueix al convertidor d'oxigen (BOF)? Fe C 3 CO 2 CaF 2 Materials de Construcció: Siderúrgia, Acers i Betums — UPC 11 3.

Colada i conformació plàstica: laminació i trefilat Un cop afinat el bany líquid, es realitza el buidatge mitjançant dos procediments: Colada en lingotera: El metall líquid es vessa de manera discontínua en motlles individuals metàl·lics (lingoteres) on solidifica en blocs aïllats. És un mètode tradicional utilitzat per a peces de forja o acers especials. Colada contínua: La cullera transfereix l'acer a un dipòsit regulador (distribuïdor), des d'on cau contínuament a una lingotera sense fons de coure refrigerada per aigua. La pell sòlida inicial avança traccionada per corrons mentre es refreda per polvorització externa.

La barra contínua se secciona al vol mitjançant bufador oxiacetilènic per donar productes semi-acabats: totxos (de secció quadrada gran per a perfils estructurals), palanquetes (de menor secció per a barres corrugades i filferro) o planxons (secció rectangular ampla per a xapes). PROCÉS Flux siderúrgic: del mineral al perfil laminat 1 Alt forn Reducció de mineral amb coc i fundents per obtenir arrabi. 2 Convertidor (BOF) Descarburació amb oxigen pur i ferralla per sota del 2,1% de C. 3 Colada contínua Solidificació del metall líquid en totxos, palanquetes o planxons. 4 Laminació en calent Deformació plàstica entre corrons per produir xapes o perfils.

Aquests semi-productes es transformen mecànicament mitjançant laminadors, equips formats per cilindres d'acer que giren en sentits oposats per comprimir i estirar el metall: Diagrama del procés de laminació contínua mitjançant corrons oposats. Materials de Construcció: Siderúrgia, Acers i Betums — UPC 12 Laminació en calent: Es realitza a temperatures superiors a la de recristal·lització del metall. Permet grans reduccions de secció sense risc d'esquerdament, transformant planxons en xapes gruixudes o xapes fines enrotllades en bobines, i totxos en bigues i perfils estructurals. Laminació en fred: S'executa a temperatura ambient sobre material prèviament conformat en calent.

Proporciona toleràncies dimensionals molt estrictes, un acabat superficial lliure d'òxids i un augment de la resistència mecànica per acritud a costa d'una pèrdua de ductilitat. S'empra en perfiladora o plegadora per a tubs i perfils conformats en fred. Els perfils tubulars es poden fabricar sense costura (en calent) o amb soldadura longitudinal o helicoïdal per arc submergit. Trefilat: Conformació per tracció en fred en què es fa passar el filferro o barra a través de fileres calibrades de diàmetre decreixent. S'aplica a la fabricació de filferros d'alta resistència.

PER RECORDAR-HO En la laminació en calent es canvia la forma a gran escala perquè el metall és tou i recristal·litza contínuament. En fred (laminació o trefilat), el metall no recristal·litza sol: s'endureix per deformació (acritud), millora el límit elàstic i perd ductilitat si no s'aplica un recuit posterior. Un exemple industrial clau que combina aquestes etapes és la fabricació de filferro i cables per a formigó pretensat (per a la seva aplicació en estructures, vegeu «Acers estructurals — Armadures per a formigó i perfils estructurals»): COMPROVA-HO 10 Quina diferència mecànica principal resulta de conformar una xapa en fred respecte a fer-ho en calent?

Fusió i colada: Obtenció d'acer al carboni afinat i solidificació contínua en forma de palanqueta. 1 Laminació en calent: Transformació de la palanqueta en barra fina anomenada alambrón. 2 Patentat: Tractament tèrmic continu (escalfament i refredament controlat) per dotar l'alambrón d'una estructura fina òptima per a la deformació severa (vegeu «Tractaments de l'acer — Tractaments tèrmics, diagrames TTT i superficials»). 3 Trefilat en fred: Estirament progressiu del fil a través de fileres fins a assolir el diàmetre nominal i elevar la seva resistència mecànica per acritud.

4 Neteja i estabilització: Desengreixat superficial i tractament termomecànic sota tensió per reduir les tensions internes i minimitzar la relaxació estructural del material. 5 Materials de Construcció: Siderúrgia, Acers i Betums — UPC 13 IDEES CLAU L'alt forn redueix els òxids de ferro mitjançant el monòxid de carboni generat pel coc, produint arrabi amb una concentració de carboni d'entre el 2,6% i el 4,3%. Els fundents (calcària o sílice) reaccionen amb la fracció estèril (ganga) per originar escòria de baixa densitat (2,7-2,8 g/cm³) que flota sobre el ferro fos.

Les foses tenen més del 2,1% de C: la blanca conté cementita per refredament ràpid, mentre que la grisa conté grafit en matriu perlítica o ferrítica per refredament més lent. L'afinament converteix l'arrabi en acer mitjançant bufat d'oxigen pur (BOF) o fusió per arc elèctric, reduint el contingut de carboni per sota del 2,1%. La colada contínua solidifica l'acer líquid en productes semi-acabats (totxos, palanquetes i planxons) que després es laminen en calent o en fred i es trefilen. COMPROVA EL QUE HAS APRÈS 11. Per què cal sotmetre l'arrabi a un procés d'afinament abans d'utilitzar-lo com a acer estructural? 12.

En què es diferencia la microestructura del carboni d'una fosa blanca de la d'una fosa grisa? 13. Quins són els productes semi-acabats típics de la colada contínua i a quins productes laminats donen lloc? Test Encercla la resposta correcta. Les solucions són al final. 14. Quin és el contingut límit de carboni que separa els acers de les foses? 15. A quina composició i temperatura es produeix la reacció eutectoide? 16. Quins grans microestructurals coexisteixen en equilibri en un acer hipereutectoide? 17. Quin compost correspon a la cementita en el diagrama de fases?

6,7 % de C a) 2,1 % de C b) 0,77 % de C c) 4,3 % de C d) 0,77 % C a 723 ºC a) 2,11 % C a 1148 ºC b) 4,30 % C a 1148 ºC c) 0,02 % C a 912 ºC d) Ferrita lliure i cementita a) Austenita i cementita b) Cementita proeutectoide i perlita c) Ferrita lliure i perlita d) Fe2O3 amb 2,1 % de carboni a) Solució de Fe gamma pur b) Ferrita amb 0,02 % de carboni c) Fe3C amb 6,7 % de carboni d) Materials de Construcció: Siderúrgia, Acers i Betums — UPC 14 18. Quin contingut de carboni presenta típicament l'arrabi produït a l'alt forn? 19. Quina funció té la injecció d'oxigen pur en el convertidor bàsic (BOF)? 20. Què diferencia la laminació en fred respecte a la laminació en calent? 21.

Com se separen l'escòria i el ferro fos al fons de l'alt forn? 3 Tractaments de l'acer — Tractaments tèrmics, diagrames TTT i superficials EN ACABAR SABRÀS Distingir els cicles tèrmics del recuit, la normalització, el tremp i el reveniment. Interpretar la formació de microestructures a partir de corbes TTT. Comparar els mètodes d'enduriment superficial per cementació i nitruració. PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 22 Per què una peça d'acer trempat no s'utilitza mai directament en servei sense aplicar-li abans un altre tractament? Constituents de l'acer i efecte del carboni Les característiques mecàniques dels acers depenen de la proporció i distribució de les seves fases fonamentals.

La ferrita (ferro alfa, amb un contingut de carboni proper al 0%) ofereix una resistència a tracció al voltant de 300 MPa, una duresa de 90 HB i una gran ductilitat, assolint deformacions pròximes al 40%.

Per contra, la cementita ( , amb un 6,7% de carboni) és extremadament dura Entre 2,6% i 4,3% a) Més del 6,67% b) Entre 0,5% i 1,5% c) Menys del 0,2% d) Augmentar el percentatge de sofre a) Formar grafit lliure a l'estructura b) Refredar el metall sense consumir ferralla c) Oxidar el carboni per descarburar el metall d) Elimina completament les tensions internes a) Exigeix temperatures per sobre de 1000 °C b) Provoca acritud i augment de resistència mecànica c) Augmenta la ductilitat i mal·leabilitat final d) Mitjançant filtrat amb malles refractàries a) Per centrifugació a alta velocitat al gresol b) Per decantació natural deguda a la diferència de densitats c) Mitjançant evaporació tèrmica de l'escòria d) Fe C 3 Materials de Construcció: Siderúrgia, Acers i Betums — UPC 15 (650 HB) i fràgil, amb una resistència estimada a tracció de 2.000 MPa i una capacitat de deformació pràcticament nul·la (0%).

La mescla íntima eutectoide d'aquestes dues fases és la perlita (amb 0,77% de carboni, formada per un 11,8% de i un 88,2% de ferrita alfa), la qual presenta propietats intermèdies: 700 MPa de resistència a tracció, duresa de 250 HB i un 15% de deformació (vegeu «Metal·lúrgia del ferro — Diagrama Fe-C i microestructures»). L'austenita admet fins a un 2,11% de carboni en solució sòlida i és estable per sobre de 723 ºC. Gràfica de la variació de duresa, resistència i ductilitat segons el contingut de carboni. A mesura que augmenta el percentatge de carboni, la resistència mecànica i la duresa creixen de manera notable, mentre que la ductilitat disminueix ràpidament.

Tanmateix, peces amb dimensions considerables pateixen diferències tèrmiques entre la superfície i l'interior durant el refredament, fet que redueix l'eficàcia dels tractaments a mesura que augmenta la mida del component. Deformació plàstica i recristal·lització L'acer reacciona a la temperatura segons el llindar tèrmic assolit: Recristal·lització sense canvi de fase: S'obté en una temperatura crítica elevada, aproximadament a , però per sota del rang d'austenitització. Els grans cristal·lins es reorganitzen sense modificar l'estructura de xarxa existent.

Recristal·lització amb canvi de fase: Quan la temperatura supera la d'austenitització ( ), sempre té lloc una transformació estructural completa de les fases cristal·lines. Com més alta és la temperatura de treball o més gran és el temps de permanència per sobre de la temperatura crítica, més ràpida és la recristal·lització i major és la mida de gra resultant. Atès que els contorns de gra són energèticament inestables, el sistema tendeix de manera natural a generar grans Fe C 3 1/3 T fusio ˊ T > T austenititzacio ˊ Materials de Construcció: Siderúrgia, Acers i Betums — UPC 16 més gruixuts per disminuir la seva energia lliure.

Com més homogènia i fina sigui l'estructura policristal·lina final, millors seran el comportament mecànic i la tenacitat de l'acer. COMPROVA-HO 23 Quina diferència fonamental hi ha entre la recristal·lització a 1/3 de la temperatura de fusió i la que es produeix per sobre de la temperatura d'austenitització? Tractaments tèrmics de volum Els tractaments tèrmics convencionals consisteixen a escalfar l'aliatge en estat sòlid, mantenir-lo a una temperatura de consigna per completar les transformacions estructurals i aplicar posteriorment un refredament controlat.

La normalització consisteix a escalfar l'acer fins a l'austenitització completa, mantenir-lo en temperatura i refredar-lo a l'aire lliure tranquil. Té com a finalitat eliminar tensions internes derivades de processos de deformació plàstica o d'heterogeneïtats durant la solidificació en motlle, aconseguint una microestructura homogènia entre la superfície i el nucli. El recuit requereix escalfar fins a la zona d'austenitització, mantenir la temperatura fins a l'homogeneïtzació i refredar molt lentament a l'interior del mateix forn apagat. Aquest procés regenera l'estat original tou del metall i suprimeix els efectes de tractaments mecànics o tèrmics previs.

El tremp implica austenititzar, mantenir la temperatura i refredar a una velocitat elevada mitjançant immersió en aigua, oli o salmorra. L'objectiu és augmentar dràsticament la duresa i reduir la plasticitat. El refredament brusc impedeix que els àtoms de carboni abandonin per difusió la xarxa cristal·lina cúbica centrada en les cares (FCC), quedant atrapats a pressió. Això dóna lloc a la martensita, definida formalment com una solució sòlida sobresaturada de carboni en una xarxa tetragonal deformada derivada del ferro alfa. Com més gran és la quantitat de carboni soluble, major és l'eficàcia del tremp.

Un refredament extrem genera altes tensions internes que poden deformar la peça o fins i tot provocar fissures espontànies. El reveniment s'executa immediatament després del tremp per alleujar les tensions internes i corregir la fragilitat excessiva. Es realitza reescalfant la peça a una temperatura inferior a la d'austenitització ( ) i refredant-la posteriorment. A mesura que creix la temperatura de reveniment, s'afavoreixen fases més estables, de manera que disminueixen la duresa i la resistència a tracció, mentre que s'incrementa la ductilitat sense alterar el mòdul elàstic.

T < T austenititzacio ˊ Materials de Construcció: Siderúrgia, Acers i Betums — UPC 17 Gràfica de corbes tensió-deformació comparant el material trempat amb el tractament posterior de reveniment. ERROR FREQÜENT Durant el reveniment de peces prèviament trempades, aplicar temperatures per sobre de 580 ºC provoca una pèrdua substancial de la resistència mecànica i de la duresa desitjades, ja que la martensita es descompon excessivament en fases d'equilibri toves. COMPROVA-HO 24 Per què no s'ha d'assolir la temperatura d'austenitització en aplicar un reveniment?

Cinètica de transformació i diagrames TTT Els diagrames Transformació-Temps-Temperatura (TTT) representen gràficament la cinètica de descomposició de l'austenita inestable sotmesa a diferents nivells de refredament isotèrmic o continu. Aquests diagrames mostren la corba d'inici de formació (0%), la corba de transformació del 50% i la corba final de reacció (100%). Materials de Construcció: Siderúrgia, Acers i Betums — UPC 18 Esquema de la morfologia de la cementita a les microestructures perlítica i bainítica.

Si el refredament isotèrmic té lloc a temperatures properes a la línia eutectoide (al voltant de 675 ºC), la difusió és ràpida i s'obté perlita, formada per làmines alternes de ferrita i cementita. Quan la transformació s'efectua a temperatures moderades inferiors al nas de la corba TTT, s'obté bainita. Totes dues estructures comparteixen composició global (un 12% de i un 88% de ferrita alfa), però a la bainita els dominis de cementita precipiten en partícules molt més fines i disperses, atorgant- li una resistència superior a la de la perlita.

Si la velocitat de refredament és prou ràpida com per no tallar el nas perlític-bainític del diagrama, la transformació s'inicia sense difusió en creuar la línia de començament de martensita ( ) i finalitza en assolir la temperatura final de martensita ( ).

Fe C 3 M s M f Materials de Construcció: Siderúrgia, Acers i Betums — UPC 19 PROCÉS Cicle de tremp i reveniment de l'acer Tractament Temperatura d'escalfament Velocitat de refredament Microestructura resultant Objectiu principal Normalització Superior a l'austenitització Moderat (aire tranquil) Perlita fina i ferrita homogènies Eliminar tensions internes i refinar gra Recuit Superior a l'austenitització Molt lent (dins del forn) Ferrita i perlita gruixudes d'equilibri Eliminar acritud o tractaments previs Tremp Superior a l'austenitització Molt ràpid (aigua, oli, salmorra) Martensita metaestable Maximitzar duresa i resistència mecànica Reveniment Inferior a l'austenitització ( ) Controlat a l'aire o líquid Martensita revenida Disminuir fragilitat i tensionat intern COMPROVA-HO 25 Quina diferència microestructural explica la major resistència de la bainita respecte a la perlita malgrat tenir la mateixa proporció de fases?

Austenitització Escalfament per sobre de la línia crítica 1 Manteniment tèrmic Completar la transformació a fase FCC 2 Refredament ràpid Tremp ràpid en aigua o salmorra 3 Formació de martensita Xarxa tetragonal fràgil altament tensionada 4 Reescalfament a T inferior Reveniment per sota de 580 ºC 5 Estructura final tenaç Eliminació de tensions i recuperació de ductilitat 6 T < 580 C Materials de Construcció: Siderúrgia, Acers i Betums — UPC 20 Tractaments superficials d'enduriment Els tractaments superficials modifiquen la composició química i la microestructura exclusivament de la capa exterior de la peça.

Permeten obtenir una perifèria d'elevada duresa i resistència al desgast, mantenint un nucli de baix carboni tenaç i resistent a impactes i fatiga mecànica. La cementació consisteix a difondre carboni cap a l'interior de la superfície en peces d'acer escalfades a altes temperatures (fins a 1.000 ºC), a una velocitat mitjana de penetració de 0,1 a 0,2 mm per cada hora. Un cop enriquida la superfície, la peça se sotmet a tremp (o tremp i reveniment) per transformar la capa enriquida en martensita. Existeixen tres variants tècniques principals: La nitruració és un mètode d'enduriment termoquímic superficial que incorpora nitrogen mitjançant una atmosfera de gas amoníac.

Es treballa a baixa temperatura (entre 500 ºC i 525 ºC), de manera que no es produeix austenitització. El nitrogen penetra a la superfície de la ferrita alfa mentre l'hidrogen residual s'allibera en estat gasós. S'obtenen capes endurides de fins a 0,8 mm d'espessor amb un consum energètic reduït i sense necessitat de tremp posterior. El procés ofereix un rendiment òptim en aliatges que contenen crom o alumini (acers Fe-Cr i Fe-Al). COMPROVA-HO 26 Per què la nitruració no requereix una etapa posterior de trempat ràpid per endurir la peça? Cementació sòlida: S'empra carbó vegetal en pols com a medi cementant.

La peça s'escalfa a una temperatura entre 900 ºC i 927 ºC durant un interval de 4 a 6 hores. Encara calenta, s'aplica un refredament ràpid en aigua o salmorra. Assoleix una profunditat endurida de 0,4 a 4 mm mitjançant un procés segur però lent i d'elevat consum energètic. 1 Cementació líquida: Utilitza un bany de cianur de sodi líquid (NaCN), procediment conegut també com a cianuració. S'opera entre 900 ºC i 1.000 ºC durant 15 minuts a 1 hora. L'acer absorbeix carboni i nitrogen simultàniament abans del trempat ràpid en aigua o salmorra. Proporciona capes dures d'entre 0,75 mm i 2 mm, tot i que genera residus d'alta toxicitat i de gestió complexa.

2 Cementació gasosa: Es basa en atmosferes riques en metà o gas natural. S'escalfa a 900-927 ºC durant 4 a 6 hores. Després d'aquest temps es deixa refredar lentament al forn, es reescalfa a 760 ºC i finalment es trempa amb rapidesa. La capa endurida assoleix fins a 6 mm (habitualment no superior a 0,7 mm). Comporta riscos de seguretat deguts a l'ús de gasos combustibles a altes temperatures i impedeix trempar directament en finalitzar la difusió primària. 3 Materials de Construcció: Siderúrgia, Acers i Betums — UPC 21 IDEES CLAU Un major percentatge de carboni augmenta la duresa i la resistència mecànica de l'acer a costa d'una gran reducció de la seva ductilitat.

El tremp produeix martensita, una estructura tetragonal sobresaturada fora de l'equilibri que confereix una duresa extrema però alta fragilitat. El reveniment posterior al tremp alleuja tensions i incrementa la plasticitat, però temperatures superiors a 580 ºC minven excessivament la resistència de l'acer. Els diagrames TTT determinen el temps requerit per a les transformacions isotèrmiques de l'austenita en perlita, bainita o martensita segons la velocitat de refredament. Els tractaments superficials com la cementació i la nitruració permeten crear una perifèria resistent al desgast sense alterar la tenacitat del nucli de baix carboni. COMPROVA EL QUE HAS APRÈS 27.

En què es diferencia la microestructura i la resposta mecànica de la perlita respecte a la bainita? 28. Quin avantatge presenta la nitruració enfront de la cementació respecte al control dimensional i energètic? Test Encercla la resposta correcta. Les solucions són al final. 29. Quina fase s'obté quan l'austenita es refreda molt ràpidament impedint la difusió del carboni? 30. Què succeeix si durant el reveniment d'un acer trempat se superen els 580 ºC? 31. A quina temperatura té lloc habitualment el tractament superficial de nitruració? 32. Com és la velocitat de refredament emprada en el recuit convencional de l'acer?

Martensita tetragonal a) Perlita laminar b) Bainita superior c) Ferrita d'equilibri d) Es formen nitrurs superficials a) Augmenta la duresa final b) Es regenera austenita inestable c) Disminueix la resistència de l'acer d) A més de 1.000 ºC a) Entre 500 ºC i 525 ºC b) Entre 900 ºC i 927 ºC c) Entre 723 ºC i 760 ºC d) Molt lenta dins del forn a) Ràpida mitjançant bany d'oli b) Moderada en aire tranquil c) Immediata en salmorra d) Materials de Construcció: Siderúrgia, Acers i Betums — UPC 22 4 Acers estructurals — Armadures per a formigó i perfils estructurals EN ACABAR SABRÀS Distingir el comportament mecànic i els assaigs de les armadures passives enfront de les actives.

Calcular i interpretar el carboni equivalent (CEV) per avaluar la soldabilitat d'acers estructurals. Identificar les subcategories especials d'acers estructurals (N, M, W, Q, Z) i les famílies d'acers inoxidables. PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 33 Per què no es pot utilitzar el mateix acer d'una barra corrugada convencional per pretesar una biga de formigó? Armadures passives per a formigó armat Les armadures passives treballen solidàriament amb el formigó sense haver rebut cap tensió prèvia a la posada en servei. Es comercialitzen habitualment en forma de barres rectes o rotlles de superfície rugosa, coneguts com a acer corrugat soldable, així com malles o cables grafilats.

Per definir geomètricament aquests productes s'utilitzen diversos conceptes de diàmetre: Diàmetre nominal: valor convencional comercial utilitzat en els càlculs de projecte i definit per les taules de la norma UNE EN 10080. Secció equivalent: àrea teòrica obtinguda a partir de la massa del producte mitjançant l'expressió . Diàmetre equivalent: diàmetre d'un cercle ideal que posseeix exactament la mateixa àrea que la secció equivalent. Les barres es classifiquen en funció de la seva capacitat de deformació en acer soldable estàndard (S) i acer soldable amb característiques especials de ductilitat (SD).

Aquests últims resulten obligatoris en estructures sotmeses a accions sísmiques o sol·licitacions severes de fatiga. La identificació del tipus d'acer (B 400 S, B 500 S, B 400 SD, B 500 SD) i del fabricant es realitza mitjançant la disposició i agrupació de les corrugues ressaltades sobre la superfície de la barra segons la certificació oficial (com el segell AENOR). Assaigs de control mecànic per a barres corrugades El control de qualitat requereix la realització de diversos assaigs normalitzats: S = eq 7,85 g/cm longitud (cm) 3 massa (g) Assaig de tracció simple: determina el límit elàstic ( ), la resistència a tracció ( o ) i l'allargament romanent sota càrrega màxima ( o AGT).

Segons la normativa, el mòdul d'elasticitat convencional es mesura experimentalment entre el 10% i el 30% de la càrrega de trencament ( i ). Els acers SD garanteixen una relació i allargaments AGT superiors respecte als acers ordinaris S ( ). 1 f y f s f u ε m x a ˋ 0,1 R 0,3 R f /f s y 1,15 f /f s y 1,05 Materials de Construcció: Siderúrgia, Acers i Betums — UPC 23 COMPROVA-HO 34 Quina diferència mecànica clau justifica l'ús d'un acer B 500 SD enfront d'un B 500 S en zones sísmiques?

Armadures actives per a formigó pretensat El formigó pretensat sotmet intencionadament l'element estructural a tensions prèvies de compressió per compensar les traccions de servei causades per grans càrregues o grans llums. Les armadures actives consisteixen en acers d'alta resistència que es tensen i s'ancoren fermament al formigó. Es distingeixen dues tècniques d'execució: Armadures preteses: es tenses abans del formigonat de la peça. L'adherència química i mecànica directa amb el formigó endurit manté la precompressió en tallar els extrems exteriors del tendó. Armadures posteses: es tenses un cop el formigó ha assolit la resistència necessària.

Els cables o cordons s'allotgen a l'interior de beines buides (que posteriorment s'omplen amb lletada de ciment) i es bloquegen mitjançant ancoratges als extrems. Els productes utilitzats inclouen filferros (secció rodona massissa, llisa o grafilada), barres massisses rectilínies i cordons. Un cordó de pretensat està constituït per un feix de 2, 3 o 7 filferros d'acer enrotllats helicoïdalment amb el mateix pas i sentit al voltant d'un eix central comú. Gràfica comparativa de tensió-deformació entre acer per a pretensat i corrugat.

Assaig d'aptitud al doblegament i desdoblegament: sotmet la barra a una flexió al voltant d'un mandrí específic i el seu posterior redreçament per comprovar l'absència d'esquerdes o fissures en les zones traccionades. 2 Assaig de fatiga: avalua el comportament del material sotmès a càrregues cícliques alternades quan el projecte així ho requereix. 3 Assaig d'adherència: verifica la transferència de tensions entre el formigó i l'acer, afavorida pel relleu de les corrugues (que sobresurten cap a l'exterior del diàmetre de la barra) o de les grafiles (osques que van cap a l'interior).

4 Materials de Construcció: Siderúrgia, Acers i Betums — UPC 24 En comparació amb l'acer corrugat convencional, l'acer per a pretensat exhibeix un límit elàstic molt més elevat ( entre 1.400 i 1.700 N/mm²), tot i que presenta una menor deformabilitat plàstica global. Processos de fabricació i fenomen de relaxació La fabricació de filferros d'alta resistència segueix una seqüència industrial controlada: PROCÉS Procés de fabricació d'armadures actives La relaxació de l'acer és la pèrdua progressiva de tensió mecànica que experimenta un tirant sotmès a una deformació constant al llarg del temps.

Per normativa, en els cordons sotmesos a un assaig de relaxació isotèrmica durant 1.000 hores a 20 ºC amb una càrrega inicial equivalent al 70% de la tensió de trencament real, la pèrdua de força no pot superar el 2,5%. El mòdul elàstic de referència dels cordons és de 190 kN/mm² (oscil·lant habitualment entre 180 i 195 kN/mm²). f y Laminació en calent del filferro màquina (alambrón): material d'alt contingut en carboni (vegeu «Metal·lúrgia del ferro — Producció i conformació de l'acer»). 1 Decapat i recobriment superficial: eliminació física o química de la pellofa d'òxid i aplicació d'un recobriment per facilitar la lubricació mecànica.

2 Tractament tèrmic de patentat: austenització seguida d'un refredament brusc fins a 500 °C per generar una estructura perlítica fina òptima per a la deformació. 3 Trefilat en fred: reducció progressiva de secció en passar per fileres, augmentant la càrrega de trencament fins a valors d'entre 1.600 i 2.000 N/mm². 4 Estabilitzat termomecànic: tractament sota tensió mecànica i temperatura controlada per eliminar tensions residuals i reduir la relaxació isotèrmica.

5 Laminació de l'alambrón Acer d'alt carboni laminat en calent 1 Decapat i recobriment Eliminació d'òxid i preparació superficial 2 Patentat tèrmic Austenització i refredament ràpid a 500 °C 3 Trefilat en fred Acrotament de secció fins a 2.000 N/mm² 4 Estabilitzat termomecànic Tensió controlada per garantir baixa relaxació 5 Materials de Construcció: Siderúrgia, Acers i Betums — UPC 25 Tipus de producte actiu Límit elàstic convencional ( ) Resistència màxima ( ) Allargament sota càrrega màxima Relaxació (1.000 h, 20 °C, 70% ) Mòdul elàstic ( ) Filferro (alambrón trefilat) 0,85 a 0,95 1.600 a 2.000 N/mm² (ex.

Y 1770 C: 1.770 N/mm²) (base mm) Garantit pel fabricant Barres d'alta resistència 0,75 a 0,90 N/mm² Pràcticament nul·la (tesades a ) Garantit pel fabricant Cordons (2, 3 o 7 filferros) 0,88 a 0,95 1.600 a 1.900 N/mm² (ex. Y 1860 S: 1.860 N/mm²) (base mm) 190 kN/mm² (180–195 kN/mm²) PER RECORDAR-HO En les designacions oficials, la lletra Y indica acer per a pretensat, el número representa la resistència nominal a tracció en N/mm² (com ara 1770 o 1860), i la lletra final defineix el format del producte: C per a filferro (cable elemental) o S per a cordó (strand). COMPROVA-HO 35 Què representa el procés d'estabilitzat en la producció d'armadures actives i quin problema evita?

Acers per a estructures metàl·liques L'acer estructural laminat ofereix una resistència a tracció pràcticament idèntica a la seva resistència a compressió, la qual cosa permet construir elements més esvelts i lleugers que els de formigó. Com a contrapartida, presenta vulnerabilitat a la corrosió atmosfèrica i un cost inicial més elevat. Els paràmetres físics generals inclouen un mòdul d'elasticitat , mòdul transversal , coeficient de Poisson , coeficient de dilatació tèrmica i densitat .

f y f m x a ˋ f m x a ˋ E s f m x a ˋ 3,5% 100 2,5% f m x a ˋ 980 3,5% 75%f y f m x a ˋ 3,5% 500 2,5% E = 210.000 N/mm2 G = 2(1+ν) E ν = 0,3 α = 1,2 10 C 5 1 γ = 7.850 kg/m3 Materials de Construcció: Siderúrgia, Acers i Betums — UPC 26 Diagrama de tensió-deformació de referència per a acer estructural segons Eurocodi 3.

Segons la normativa estructural (EAE i Eurocodi 3), els acers han de complir criteris estrictes de ductilitat basats en la corba tensió-deformació: Relació de resistències: Allargament a trencament: (15%) Capacitat de deformació sota càrrega màxima: (on ) Soldabilitat i Carboni Equivalent (CEV) L'acer no aleat és el material estructural més emprat (representa aproximadament el 90% de la producció). La capacitat d'un acer per ser unit mitjançant fusió sense generar fissures dures depèn de la seva composició química.

El paràmetre clau que regula la soldabilitat és el carboni equivalent (CEV): Un CEV reduït redueix el risc de formació de martensita fràgil a la zona afectada tèrmicament (vegeu «Tractaments de l'acer — Tractaments tèrmics, diagrames TTT i superficials»). Els graus de soldabilitat i resiliència reglamentaris s'identifiquen mitjançant els sufixos JR, J0, J2 i K2, la tenacitat d'impacte dels quals augmenta progressivament des de JR fins a K2. Taula d'influència dels elements d'aliatge en les propietats de l'acer.

Subcategories especials d'acer estructural En funció del procés de fabricació i els elements d'aliatge addicionals, els acers no aleats estructurals es divideixen en les següents subcategories tècniques: f y f u 1,10 ε u 0,15 ε m x a ˋ 15ε y ε = y 0,002 + E f y CEV = C + + 6 Mn + 5 Cr + Mo + V 15 Ni + Cu Materials de Construcció: Siderúrgia, Acers i Betums — UPC 27 Acer normalitzat (N): acer sotmès a un procés de laminació on la deformació final es fa en el rang de temperatures corresponent al tractament de normalització, produint un gra fi i uniforme. El grau NL indica característiques equivalents amb major resiliència a baixes temperatures.

Acer termomecànic (M): obtingut mitjançant laminació amb deformació controlada en un interval tèrmic precís, sovint combinat amb refredament accelerat. Aquest estat no es pot reproduir mitjançant cap tractament tèrmic posterior convencional. Acer patinable o autopatinable (W): conté petites addicions de Cu, Cr, Ni i Mo que afavoreixen l'aparició d'una pàtina d'òxid superficial densa i poc porosa. Aquesta capa protegeix l'interior de la corrosió atmosfèrica sense necessitat de pintures protectores. Acer trempat i revenit (Q): acer sotmès a refredament ràpid seguit d'un reescalfament a temperatura controlada per assolir límits elàstics molt elevats.

Acer resistent al desgarrament laminar (Z): compleix valors mínims garantits d'estricció en la direcció perpendicular a la superfície del producte (sentit de l'espessor), evitant fallades per tensions transversals en nusos soldats gruixuts. Perfils conformats en fred (H): conformats mecànicament a temperatura ambient a partir de xapes primes (0,5 a 2 mm), utilitzats habitualment com a perfils buits lleugers sense tractament tèrmic posterior. ERROR FREQÜENT Quan es treballa a l'obra amb acers de graus M o Q, l'aportació tèrmica incontrolada d'oxitall o d'operacions de soldadura pot alterar la microestructura.

Escalfaments per sobre de 580 ºC disminueixen la resistència mecànica de l'acer originalment tractat. Per aquest motiu, cal limitar l'extensió de la zona afectada tèrmicament. COMPROVA-HO 36 Quina propietat assegura la designació Z en una xapa d'acer estructural i en quines condicions és crítica? Acers inoxidables Els acers inoxidables es defineixen metal·lúrgicament per contenir com a mínim un 10,5% de crom i un màxim d'1,2% de carboni. La seva resistència a la corrosió prové de la reacció espontània del crom amb l'oxigen atmosfèric, que forma una pel·lícula passivant nanomètrica de Cr2O3.

Aquesta capa aïlla el metall base i es regenera espontàniament en presència d'oxigen si pateix danys mecànics superficials. Materials de Construcció: Siderúrgia, Acers i Betums — UPC 28 ESQUEMA Classificació dels acers inoxidables Família Composició principal Estructura cristal·lina Característiques i aplicacions Austenítics Fe - Cr (16–25%) - Ni (8–20%) - C baix Austenita (estable a temperatura ambient gràcies al Ni) Excel·lent conformabilitat, immillorable soldabilitat i màxima resistència a la corrosió. No són magnètics en estat recuit. Ferrítics Fe - Cr (16–18%) - C ( ) Ferrita Bona soldabilitat i resistència a la corrosió millor que els martensítics.

Magnètics, econòmics i molt utilitzats per a fins estètics i d'acabat. Martensítics Fe - Cr (12–14%) - C ( ) Martensita (obtinguda per tremp i reveniment) Alta duresa i resistència mecànica obtinguda per tractament tèrmic, tot i que posseeixen menor resistència a la corrosió i soldabilitat limitada. Dúplex Fe - Cr - Ni (contingut menor de Ni que austenítics) Mixta (aproximadament 50% austenita i 50% ferrita) Molt alta resistència mecànica, major rigidesa estructural i excel·lent resistència a la corrosió sota tensió. Cost elevat.

Endurits per precipitació Fe - Cr - Ni amb addicions (Cu, Al, Ti) Matriu amb precipitats intermetàl·lics Desenvolupen límits elàstics extremadament alts mitjançant tractaments tèrmics d'envelliment artificial. Acers Inoxidables Mínim 10,5% Cr i màxim 1,2% C Austenítics Aliatges Fe-Cr-Ni no magnètics Ferrítics Aliatges Fe-Cr amb baix carboni Martensítics Trempats per a màxima duresa Dúplex Microestructura mixta austenita- ferrita < 0,1% 0,1% Materials de Construcció: Siderúrgia, Acers i Betums — UPC 29 IDEES CLAU Les armadures passives es classifiquen en graus ordinaris (S) i de ductilitat especial (SD), sent aquests últims obligatoris per a dissipació d'energia sísmica.

L'estabilitzat termomecànic dels cordons de pretensat redueix la relaxació isotèrmica a 1.000 hores a 20 ºC per sota del límit màxim reglamentari del 2,5%. El mòdul d'elasticitat convencional per a armadures passives s'avalua entre i , mentre que en cordons actius se situa al voltant de 190 kN/mm². El valor de carboni equivalent (CEV) governa la soldabilitat dels acers no aleats laminats en calent per evitar estructures fràgils a les unions. Els acers inoxidables requereixen un mínim del 10,5% de crom per generar la pel·lícula passivant protectora de . COMPROVA EL QUE HAS APRÈS 37.

Com es defineix la secció equivalent d'una barra corrugada i per què no s'utilitza la mesura directa del calibre? 38. Quin efecte produeix un reescalfament superior a 580 °C sobre un perfil estructural obtingut per laminació termomecànica (M) o trempat i revenit (Q)? 39. Per què els acers inoxidables austenítics mantenen aquesta estructura a temperatura ambient si l'austenita només és estable a altes temperatures en el ferro pur? Test Encercla la resposta correcta. Les solucions són al final. 40. Quin és el límit màxim reglamentari de relaxació als cordons de pretensat després de 1.000 hores a 20 ºC? 41.

Quina propietat especial garanteix la lletra Z en la designació d'un acer estructural laminat? 42. Quin és el contingut mínim de crom necessari perquè un acer es consideri inoxidable? 43. Quin d'aquests elements té un efecte negatiu sobre la soldabilitat de l'acer estructural?

0,1 R 0,3 R Cr O 2 3 5,0% a) 2,5% b) 0,5% c) 1,0% d) Alta resistència a corrosió marina a) Aptitud per al conformat en fred b) Absència de tractament de reveniment c) Capacitat de deformació en el gruix d) 18,0% a) 12,0% b) 8,0% c) 10,5% d) Carboni a) Cobre b) Silici c) Níquel d) Materials de Construcció: Siderúrgia, Acers i Betums — UPC 30 5 Materials bituminosos — Origen, composició i reologia dels lligants EN ACABAR SABRÀS Distingir l'origen, fraccions químiques i naturalesa col·loidal dels betums asfàltics enfront dels quitrans d'hulla. Descriure el procediment dels assaigs clàssics de penetració, punt de reblaniment anell i bola, i fragilitat de Fraas.

Interpretar l'índex de penetració de Pfeiffer i Van Doormaal per mesurar la susceptibilitat tèrmica d'un lligant. PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 44 Per què un ferm d'asfalt pot suportar camions pesants a l'hivern sense trencar-se i no fondre's a l'estiu sota el sol? Els materials bituminosos constitueixen la base dels ferms de carretera gràcies a la seva capacitat d'aglomerar els àrids i proporcionar una superfície resistent, impermeable i duradora. ESQUEMA Materials Bituminosos i Pavimentació 1. Origen dels lligants i procés d'obtenció Els hidrocarburs emprats en l'enginyeria civil provenen majoritàriament del refinament del petroli o de jaciments naturals.

Cal distingir clarament entre betum i quitrà per raons mediambientals i de salut pública. Lligants purs Origen, composició i assaigs clàssics Maltens i asfaltens Estructura col·loidal i reologia Caracterització Penetració, anell i bola i Fraas Lligants modificats Addició de polímers i emulsions Mescles bituminoses Àrids, dosificació i posada en obra Materials de Construcció: Siderúrgia, Acers i Betums — UPC 31 Material Origen i obtenció Estat i ús actual Betum asfàltic Destil·lació fraccionada i per buit del petroli cru; o jaciments naturals. Ús generalitzat com a lligant en obres lineals i impermeabilització. Quitrà Destil·lació destructiva de l'hulla (carbó mineral).

Prohibit per ser cancerigen i no reciclable al final de la seva vida útil. En el procés industrial, el cru arriba a la refineria i s'emmagatzema en tancs. Posteriorment passa pels forns cap a la columna de destil·lació atmosfèrica, on se separen les fraccions lleugeres i mitjanes (gasos, gasolina, querosè i gasoil). La fracció restant es desvia a una destil·lació per buit, procés que permet extreure olis pesants sense craquejar la matèria orgànica, deixant com a fons el betum, que es condueix als tancs d'emmagatzematge per a la seva distribució. A més del betum de destil·lació, existeixen jaciments de betum natural.

El cas més rellevant és el Pitch Lake (a Trinitat), una depressió de 47 hectàrees i fins a 80 metres de profunditat amb una reserva estimada de 10 milions de tones. La fase líquida conté aproximadament un 39% de betum, un 30% de pols mineral o filler en suspensió col·loidal i un 31% d'aigua salada emulsionada. Després d'evaporar l'aigua s'obté la Trinitat epuré (60% de betum pur i 40% de filler). Altres fonts naturals inclouen el llac a les Bermudes (64% de betum, 30% d'aigua i 2% de filler a 2,5 m de fondària), així com sorres asfàltiques a Àlaba o calcàries impregnades com les roques de Caliza Pineda.

DEFINICIÓ Segons la terminologia europea, l'asfalt és la barreja de betum i àrids minerals (equivalent al concepte de mescla bituminosa), mentre que als Estats Units s'utilitza la paraula asphalt per designar directament el lligant bituminós pur. COMPROVA-HO 45 Quina és la diferència clau d'origen i aplicació entre un betum asfàltic i un quitrà? 2. Composició química i estructura col·loidal La composició elemental del betum està formada principalment per carboni (82-88%), hidrogen (8- 11%), sofre (0-6%), oxigen (0-1,5%), nitrogen (0-1%) i quantitats traça de metalls inferiors a l'1%.

Dins d'aquest complex de milers de molècules, s'identifiquen quatre fraccions principals: Asfaltens: Fracció polar amb grups carboxílics (càrrega negativa) i pes molecular d'entre 1.000 i 100.000 g/mol. Oscil·len entre el 5% i el 25% del total. Proporcionen duresa, viscositat i capacitat d'adhesivitat. Resines: Molècules altament polars i semisòlides (500 a 50.000 g/mol). Actuen com a dispersants i estabilitzants dels asfaltens dins de la matriu, amb una funció semblant a la dels plastificants en el ciment. Aromàtics: Hidrocarburs apolars amb anells no saturats (300 a 2.000 g/mol). Representen el 40- 65% de la massa i formen el medi dispersant continu que atorga fluïdesa.

Materials de Construcció: Siderúrgia, Acers i Betums — UPC 32 Saturats: Cadenes i anells saturats apolars molt inerts (300 a 2.000 g/mol), que representen el 5- 20%. Si augmenta la seva proporció, minven l'adhesivitat i la viscositat global. El conjunt format per resines, aromàtics i saturats rep el nom genèric de maltens. El betum s'estructura com un sistema col·loidal, on els asfaltens formen el nucli de les micel·les, envoltats per una capa protectora de resines polars que permet la seva dispersió homogènia en la fase oliosa constituïda pels aromàtics i saturats. ERROR FREQÜENT Confondre el paper dels saturats amb el de les resines.

Un excés de saturats (parafines) redueix la qualitat del lligant perquè disminueix l'adhesivitat amb l'àrid i empitjora la susceptibilitat tèrmica, mentre que les resines augmenten la viscositat i estabilitzen les micel·les d'asfaltens. 3. Reologia, viscoelasticitat i comportament en servei La reologia analitza la deformació i la fluïdesa del betum sota càrregues mecàniques i tèrmiques. Els betums presenten dues propietats determinants: La resposta s'avalua mitjançant el mòdul de rigidesa, definit com el quocient entre la tensió aplicada i la deformació resultant.

Quan al betum se li afegeix pols mineral fina (filler), es forma el màstic bituminós: les partícules sòlides incrementen la component elàstica del sistema i redueixen la component viscosa, millorant l'estabilitat estructural de la mescla. Per avaluar la viscositat es fan servir viscosímetres de plaques paral·leles (on s'aplica una força constant sobre una placa mòbil), el viscosímetre rotacional Brookfield (que mesura el parell de forces necessari per fer girar un plançó submergit) o el reòmetre de tall dinàmic: Esquema del viscosímetre rotacional Brookfield amb plançó immers en el betum. Comportament termoplàstic: La viscositat minva en augmentar la temperatura i creix quan es refreda.

Aquest fenomen és totalment reversible. 1 Comportament viscoelàstic: Davant d'una sol·licitació, la deformació total consta d'una fracció elàstica instantània (recuperable) i d'una fracció viscosa permanent (irrecuperable). 2 Materials de Construcció: Siderúrgia, Acers i Betums — UPC 33 COMPROVA-HO 46 Què passa amb la resposta mecànica del lligant quan es transforma en màstic afegint filler? 4.

Assaigs clàssics de laboratori i caracterització La caracterització empírica dels lligants convencionals requereix un conjunt d'assaigs normalitzats que determinen la consistència a diferents temperatures: Viscositat relativa Saybolt-Furol: Mesura el temps en segons necessari perquè caiguin 60 cm³ de lligant a través d'un orifici calibrat, a temperatures compreses entre 20 ºC i 100 ºC. Assaig de penetració:…