Principios Básicos del Acero de Alta Resistencia

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En la actualidad, el término “acero de alta resistencia” resuena cada vez más dentro de las diferentes áreas de la ingeniería civil, especialmente en la rama de la geotecnia. 

¿Qué significa acero de alta resistencia?

En el mundo de la metalurgia se pueden nombrar diferentes tipos de aceros que son utilizados en diferentes aplicaciones en ingeniería. Estos tipos pueden ser clasificados en tres grandes grupos principalmente: aceros convencionales, aceros de alta resistencia y aceros de muy alta resistencia o ultra alta resistencia (clasificación USLAB (Ultralight Steel Auto Body)).

Cada categoría se diferencia por la resistencia a la tracción (límite de un material hasta donde soporta carga sin deformación permanente) de cada acero, los aceros convenciones poseen un esfuerzo de fluencia entre 110 – 210 MPa,los de alta resistencia entre 210 – 550 MPa y los aceros de muy alta resistencia superan los 550 MPa, llegando hasta los 3500 MPa. (Jody Shaw, 2002)

Ahora la pregunta es,

¿Cómo se puede obtener un acero de alta o muy alta resistencia?

Hay varios factores que pueden llegar a afectar la resistencia de un acero, hay procedimientos tanto químicos como físicos que pueden ser utilizados para mejorar el desempeño de estos materiales.

Como bien sabemos el acero es un metal compuesto principalmente de Hierro (Fe) y Carbono (C), el porcentaje de carbono en estas aleaciones es un agente clave en el desempeño y la aplicación del acero por lo cual se suelen dividir en 3 subgrupos: aceros de bajo, medio y alto carbono. Así mismo, los aceros son aleados con otros elementos como Níquel, Cromo, Magnesio, Molibdeno, Vanadio, Tungsteno, entre otros, con el fin de modificar sus propiedades mecánicas para usos específicos, por ejemplo: aceros estructurales, aceros inoxidables, aceros rápidos, aceros de herramienta,super aleaciones para altas temperaturas, etc.

De esta manera se altera la composición química del acero a nivel molecular para brindarle características acordes a la aplicación que se requiera.
La figura #1 muestra gráficamente como se desarrolla el proceso molecular y los diferentes tipos de aleaciones que pueden darse al agregar estos elementos al acero.

elementos de acero para mallas de acero inoxidable

Por otra parte, existen diversos procesos físicos que permiten alterar las propiedades mecánicas de los aceros, esto se logra a partir de la modificación de la microestructura de estos materiales.

En pocas palabras, la microestructura de los aceros puede verse como un conjunto de múltiples elementos con formas poligonales (que se aproximan a hexágonos) los cuales forman el material como lo conocemos. Estos elementos se conocen como granos, el tamaño y la geometría de estos son las que definen ciertas propiedades mecánicas del acero, entre ellas el esfuerzo de fluencia.

Los cambios de temperatura y la aplicación de cargas son los principales métodos que se utilizan para modificar esta microestructura, esto se logra sometiendo los materiales a tratamientos térmicos como el templado, revenido, normalizado, cementado y/o deformándolos mediante procesos de manufactura como la extrusión, el trefilado, el laminado en frio o en caliente, etc.

Generalmente se utiliza la combinación de estas metodologías para lograr mejores resultados controlando la tasa de reducción de estos granos en la estructura del acero.

laminación en la microestructura del acero inoxidable

Como regla general se puede decir que un acero con tamaño de grano menor tiene mayor resistencia a la tracción que un acero con tamaño de grano mayor, sin embargo, no solo esta propiedad se ve afectada por este cambio. La ductilidad (capacidad de un material de soportar deformación plástica) se reduce a medida que el tamaño de grano disminuye, esto quiere decir que un material con una microestructura formada por granos de menor tamaño tendera a soportar cargas mucho más altas con menores deformaciones hasta su punto de fractura.

Los aceros de alta y muy alta resistencia son producto de la integración de estos procesos químicos y físicos y suelen tener un comportamiento mecánico como el descrito en el párrafo anterior. La figura 3 ilustra la gráfica de esfuerzo (σ) vs deformación (ε) típica para diferentes tipos de acero, en esta se puede observar que a medida que el material soporta más esfuerzo su deformación máxima disminuye. Estas características pueden ser utilizadas en aplicaciones donde las solicitaciones de carga sean mayores y los requerimientos de deformación mínima sean muy estrictos.

deformación para diferentes tipos de acero inoxidable

En la industria es común encontrar una clasificación del acero por medio de grados, estos grados hacen referencia a su resistencia a la tracción en ksi (unidad imperial para medir esfuerzo/presión), es decir, un acero de grado 30 tiene una resistencia a la tracción σy = 30 ksi (207 MPa aproximadamente). A medida que la resistencia del material incrementa su grado aumenta respectivamente, esto indica que los aceros de grados mayores tenderán a tener un comportamiento menos dúctil, como los de alta y muy alta resistencia.

tipos de acero

En Colombia, las soluciones de mallas de acero inoxidable o para control de riesgos geológicos son sistemas que utilizan aceros de grado 60 que, a pesar de tener una resistencia considerable, no son capaces de soportar las grandes solicitaciones que se presentan en eventos como deslizamientos de suelos, caídas de rocas y avenidas torrenciales.

Teniendo en cuenta lo anterior,
¿Qué hace a Geobrugg un especialista en sistemas de acero de alta resistencia?

Geobrugg ha llevado la seguridad a otro nivel volviéndose pionero en la fabricación de sistemas de control de riesgos geológicos a partir de acero de muy alta resistencia.

El acero del cual se fabrican cada una de las soluciones posee una resistencia a la tracción de 1770 MPa (grado 250 aproximadamente) lo cual es cuatro veces mayor a los sistemas convencionales utilizados a nivel nacional. Estos aceros de muy alta resistencia son materiales difíciles de mecanizar debido a su baja ductilidad, pero es ahí donde se destaca Geobrugg.

El secreto radica en la capacidad de Geobrugg de aprovechar al máximo estos aceros a partir de su tecnología de punta que le permite manipular estas materias primas excepcionales para brindar las soluciones más seguras y confiables del mercado con la calidad y el respaldo característicos de la industria suiza. Siempre comprometidos a proteger personas e infraestructura.

 ¿Por qué no se fabrican sistemas convencionales de mallas triple torsión con este tipo de materiales?

Todo parte del principio de fabricación de estas soluciones, como su nombre lo indica, son mallas de alambres continuos que están entrelazados entre si por medio de la torsión de estos.
Para lograr esa torsión se requiere un acero que sea fácilmente maleable para lograr la geometría deseada, sin embargo, la baja deformación de los aceros de muy alta resistencia implica que no puedan torsionarse para general el entrelazada de una malla doble o triple torsión.

En términos logísticos, si se lograra fabricar la malla triple torsión con aceros de muy alta resistencia probablemente estos paños no podrían ser enrollados debido a la gran resistencia a la flexión de los alambres,los paños de malla tendrían que ser llevados tal y como salen de fabrica hasta el sitio de obra, dificultado su transporte, su instalación y su integración con el resto de los componentes del sistema. En conclusión, ninguna malla doble o triple torsión puede ser fabricada en acero de alta resistencia debido a las características del material.