ASTM A615 Gr40 vs Gr60 – Composición, tratamiento térmico, propiedades y aplicaciones

Introducción

Las barras de acero ASTM A615 de grado 40 y grado 60 son dos de las más comúnmente especificadas, corrugadas y lisas, para el refuerzo de hormigón. Ingenieros, responsables de compras y planificadores de producción deben sopesar prioridades contrapuestas —resistencia frente a ductilidad, coste frente a márgenes de seguridad y facilidad de fabricación frente a rendimiento a largo plazo— al elegir entre estos grados. Las decisiones se toman habitualmente en contextos como el diseño estructural para zonas sísmicas, la fabricación de elementos prefabricados de hormigón y proyectos de infraestructura con presupuestos ajustados, donde es necesario evaluar las ventajas y desventajas de los materiales y la mano de obra.

La principal diferencia práctica entre ambos grados radica en su límite elástico mínimo especificado: el grado 40 está diseñado para un límite elástico mínimo menor, mientras que el grado 60 ofrece un límite elástico mínimo significativamente mayor. Esta única diferencia en las especificaciones genera numerosas diferencias posteriores en el procesamiento, la microestructura, la soldabilidad y la idoneidad para la aplicación, razón por la cual estos dos grados se comparan a menudo directamente en las discusiones sobre diseño y adquisición.

1. Normas y designaciones

• Norma principal: ASTM A615 / A615M — "Especificación estándar para barras de acero al carbono lisas y corrugadas para refuerzo de hormigón".
• Normas relacionadas/superpuestas y equivalentes:
• ASME: hace referencia a la norma ASTM A615 para materiales de construcción.
• EN: Los equivalentes de barras de refuerzo en Europa están cubiertos por EN 10080 y EN 1992 (Eurocódigo 2) con diferentes designaciones de grado (por ejemplo, B500B/C), no una coincidencia directa uno a uno.
• JIS/GB: Las normas japonesas y chinas tienen sus propios grados de refuerzo (por ejemplo, GB 1499 para China) con clases de resistencia similares pero diferentes reglas de ensayo/química.
• Clasificación: tanto el grado 40 como el grado 60 de la norma ASTM A615 son aceros al carbono/de baja aleación utilizados como refuerzo (no son aceros inoxidables ni aceros para herramientas). Generalmente se producen como aceros al carbono y, cuando se microalean, pueden considerarse de baja aleación o HSLA en la práctica de las fábricas; sin embargo, la especificación A615 es principalmente una norma para barras de refuerzo de carbono centrada en las propiedades mecánicas más que en la composición química detallada de la aleación.

2. Composición química y estrategia de aleación

La norma ASTM A615 hace hincapié en las propiedades mecánicas (límite elástico, elongación) y las pruebas, en lugar de en una composición química específica. Las prácticas de las fábricas varían según la región y el productor. La siguiente tabla muestra la presencia de elementos representativos y los rangos típicos de las prácticas industriales; si bien la norma A615 no los exige, son comunes en la fabricación de barras de refuerzo.

Elemento	Presencia/rol típico
C (Carbono)	Suele estar presente en niveles bajos o moderados para conferir resistencia mediante la estructura del grano y el endurecimiento por deformación. Los rangos industriales típicos son lo suficientemente bajos como para preservar la soldabilidad; los límites exactos dependen del proveedor.
Mn (manganeso)	Principal desoxidante y ajustador de resistencia; presente en niveles moderados para mejorar las propiedades de tracción y la templabilidad.
Si (silicio)	Desoxidante y potenciador de la resistencia; cantidades bajas a moderadas son comunes.
P (Fósforo)	Se mantuvo en niveles bajos para garantizar la tenacidad y la soldabilidad (impurezas mínimas, limitadas por las prácticas de la fábrica).
S (Azufre)	Se mantiene bajo para evitar la fragilidad en caliente y la baja ductilidad (impurezas traza).
Cr, Ni, Mo, V, Nb, Ti, B	Normalmente, el carbono está ausente o presente en cantidades traza/microaleantes en las barras de refuerzo estándar. Para barras de refuerzo de alto rendimiento (por ejemplo, producidas mediante TMCP o microaleación), se utilizan pequeñas adiciones de V, Nb o Ti para refinar el tamaño de grano y aumentar la resistencia sin exceso de carbono.
N (Nitrógeno)	Generalmente controlado; puede estar presente en cantidades traza; relevante si se utiliza microaleación formadora de nitruros.

Cómo afecta la aleación al rendimiento: - El aumento del contenido de carbono y manganeso incrementa la resistencia alcanzable, pero puede reducir la ductilidad y la soldabilidad. - La microaleación (Nb, V, Ti) y el laminado controlado/enfriamiento controlado (TMCP) producen microestructuras de ferrita-perlita o bainíticas más finas que aumentan la resistencia a la fluencia y la tenacidad sin grandes aumentos de carbono. Los productores de barras de refuerzo suelen alcanzar el grado 60 mediante trabajo en frío (endurecimiento por deformación) y laminación controlada o mediante microaleación + procesamiento termomecánico para mantener la ductilidad al tiempo que aumentan el rendimiento.

3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico

Las microestructuras típicas de las barras de refuerzo A615, producidas mediante laminación en caliente y enfriamiento convencionales, son: - Grado 40: Predominantemente ferrita y perlita, con granos de ferrita relativamente más gruesos. El límite elástico mínimo más bajo se suele conseguir con laminación en caliente estándar y velocidades de enfriamiento moderadas. - Grado 60: Mezclas más finas de ferrita y perlita, a veces con bandas bainíticas cuando se utiliza enfriamiento agresivo o microaleación. Se suele lograr una mayor resistencia mediante un mayor trabajo en frío (nervado y estirado de barras), programas de laminación más ajustados o control termomecánico.

Efectos del tratamiento térmico y del procesamiento: - Normalización: Puede refinar el tamaño del grano y mejorar la uniformidad de las propiedades mecánicas; no se aplica comúnmente como un paso de producción separado para barras de refuerzo estándar debido a su costo. - Temple y revenido: Poco común en las barras de refuerzo A615 estándar, pero utilizado en barras especiales de mayor resistencia; produce estructuras revenidas martensíticas/bainíticas con mayor resistencia y menor ductilidad. Procesamiento termomecánico controlado (TMCP): Método común para aumentar la resistencia a la fluencia manteniendo la tenacidad y la ductilidad mediante laminación controlada y enfriamiento acelerado. Los elementos de microaleación (Nb, V) son eficaces en el TMCP para obtener un rendimiento similar al del acero de grado 60 con menor contenido de carbono y mejor soldabilidad que con el refuerzo exclusivo con carbono.

4. Propiedades mecánicas

La norma ASTM A615 define explícitamente los límites elásticos mínimos para diferentes grados; otras propiedades mecánicas dependen del proceso de fabricación, el tamaño de la barra y las prácticas del productor. La tabla a continuación compara cualitativamente los parámetros mecánicos más relevantes y, cuando está permitido, indica el mínimo exigido por la especificación.

Propiedad	Grado 40 (A615)	Grado 60 (A615)
Límite elástico (mínimo especificado)	40 ksi (≈280 MPa)	60 ksi (≈420 MPa)
Resistencia a la tracción (típica)	Moderado — depende de las prácticas de la fábrica y del tamaño de la barra; generalmente inferior al grado 60.	Superior al grado 40 en rutas de producción comparables
Alargamiento (ductilidad)	Generalmente, mayor (más dúctil) para un tamaño de barra determinado	Generalmente inferior al grado 40; la ductilidad se reduce a medida que aumenta el límite elástico.
resistencia al impacto	Por lo general, es mejor en promedio para el grado 40 cuando la química y el procesamiento son similares.	Normalmente, la resistencia es inferior al grado 40 si se consigue mediante un mayor contenido de carbono o un mayor trabajo en frío; el tratamiento térmico de compresión (TMCP) o la microaleación pueden preservar la tenacidad.
Dureza	Inferior en promedio en comparación con el grado 60	Mayor en promedio debido al aumento de la resistencia (endurecimiento por deformación o fortalecimiento por microaleación).

Explicación: El acero de grado 60 es más resistente según las especificaciones; este mayor límite elástico se logra mediante un mayor endurecimiento por deformación, una microestructura más fina o una aleación moderada. Estos mecanismos suelen reducir la elongación y pueden disminuir la tenacidad si el contenido de carbono aumenta significativamente. El tratamiento térmico de compresión (TMCP) y la microaleación se utilizan comúnmente para aumentar el límite elástico sin grandes pérdidas de tenacidad, preservando el comportamiento sísmico y la soldabilidad.

5. Soldabilidad

La soldabilidad depende del equivalente de carbono, la templabilidad y las prácticas de microaleación. Dos fórmulas empíricas de uso común para predecir la soldabilidad son:

$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

y

$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretación (cualitativa): - Un mayor equivalente de carbono (CE o $P_{cm}$) implica un mayor riesgo de endurecimiento en la zona afectada por el calor y mayores requisitos de precalentamiento/postcalentamiento. - El acero de grado 60 producido mediante microaleación y TMCP con carbono controlado puede tener una soldabilidad comparable a la del grado 40 porque la resistencia se obtiene mediante el control microestructural en lugar de un alto contenido de carbono. - El grado 60 obtenido mediante trabajo en frío o con niveles más altos de carbono/manganeso tendrá una soldabilidad reducida en comparación con el grado 40 y puede requerir precalentamiento, temperaturas entre pasadas controladas y metales de aporte adecuados. - Para la mayoría de las barras de refuerzo modernas, los fabricantes controlan la composición química y proporcionan instrucciones de soldadura; consulte siempre los certificados de fábrica y siga las especificaciones del procedimiento de soldadura (WPS) para el empalme de barras de refuerzo o las conexiones soldadas.

6. Corrosión y protección de superficies

• Las barras ASTM A615 son de acero al carbono y no son inoxidables; su resistencia a la corrosión es limitada. Estrategias de protección comunes:
• Recubrimiento epoxi: ampliamente utilizado para barras de refuerzo en ambientes corrosivos (por ejemplo, puentes, ambientes marinos).
• Galvanizado: el galvanizado en caliente es eficaz pero aumenta los costos y puede afectar la geometría de las nervaduras; debe verificarse la compatibilidad con los álcalis del concreto y la adherencia.
• Barreras mecánicas: recubrimiento de hormigón y detalles de diseño para limitar la entrada de cloruros.
• El PREN (número equivalente de resistencia a la corrosión por picaduras) se aplica a las aleaciones de acero inoxidable y no a las barras de refuerzo de acero al carbono. Para el refuerzo de acero inoxidable, el índice

$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$

es útil, pero no se aplica a las barras estándar A615 Grado 40/60.

7. Fabricación, maquinabilidad y conformabilidad

• Corte: Ambos grados se cortan fácilmente con corte oxiacetilénico, sierras abrasivas o herramientas de alta velocidad; el grado 60, de mayor resistencia, puede requerir un esfuerzo adicional con métodos manuales debido al endurecimiento por deformación.
• Doblado/conformado: El grado 40 es generalmente más tolerante en los doblados en obra y en las operaciones de conformado en frío; el grado 60 requiere diámetros mínimos de doblado mayores y cuidado para evitar grietas en las regiones dobladas en frío; siga las normas para los radios de doblado y los límites de redoblado.
• Maquinabilidad: Normalmente, las barras de refuerzo no se mecanizan; sin embargo, las barras con mayor resistencia o microaleación serán más exigentes para las herramientas de corte y desgastarán las plaquitas más rápidamente.
• Acabado: Los tratamientos superficiales (epoxi, galvanizado) pueden afectar la adherencia y la manipulación; asegúrese de la compatibilidad con los procesos de conformado y soldadura.

8. Aplicaciones típicas

Usos típicos — Grado 40	Usos típicos — Grado 60
Losas, zapatas y hormigón armado no sísmico con cargas ligeras, donde la economía y la ductilidad son prioritarias.	Es más común en el hormigón armado estructural (vigas, columnas, losas) según los códigos de diseño modernos; se prefiere para detalles sísmicos y mayor capacidad de carga.
Obras provisionales, refuerzo secundario no crítico	Construcción de carreteras y puentes, edificios de gran altura, elementos prefabricados que requieren mayor límite elástico y barras de menor tamaño para la misma carga.
Regiones/especificaciones que aceptan menor resistencia con una fabricación más sencilla	Proyectos donde la reducción de la congestión de barras de refuerzo (utilizando barras de grado 60 de menor diámetro) disminuye la mano de obra de colocación y la congestión de hormigón.

Justificación de la selección: - Elija el grado 40 cuando la ductilidad y la facilidad de modificación en obra sean primordiales y las cargas sean moderadas. - Elija el grado 60 cuando un límite elástico más alto permita tamaños de barras más pequeños, una menor congestión o cuando los requisitos del código/reglamento exijan una mayor resistencia (por ejemplo, detalles sísmicos, altas tensiones de diseño).

9. Costo y disponibilidad

• Coste relativo: El acero de grado 60 suele tener un precio ligeramente superior al del grado 40 por unidad de masa debido a las prácticas de producción y la demanda del mercado. Sin embargo, el coste por capacidad estructural (por ejemplo, el coste por unidad de límite elástico o de sección transversal requerida) puede favorecer al grado 60, ya que se pueden conseguir la misma resistencia de diseño con menos barras o barras de menor tamaño.
• Disponibilidad: En muchos mercados (especialmente en Norteamérica), el grado 60 es actualmente el grado de varilla corrugada comercial predominante y se encuentra ampliamente disponible en curvas, barras rectas y rollos. El grado 40 puede ser menos común en algunas regiones, pero sigue estando disponible donde se especifica. La varilla corrugada especial de alta resistencia (superior al grado 60) tiene una disponibilidad más limitada.
• Formatos del producto: ambos grados están disponibles en barras corrugadas, barras lisas y bobinas; la disponibilidad por tamaño y longitud varía según la fábrica y la región.

10. Resumen y recomendación

Criterio	Grado 40	Grado 60
Soldabilidad	Generalmente bueno (menor riesgo de CE)	Puede ser beneficioso si se logra mediante TMCP/microaleación; puede requerir controles si la relación C/Mn es alta o si se requiere un trabajo en frío intenso.
equilibrio entre resistencia y tenacidad	Menor límite elástico, generalmente mayor ductilidad y tenacidad.	Mayor límite elástico; el aumento de resistencia puede reducir la ductilidad a menos que se utilice TMCP/microaleación.
Coste (típico)	Menor coste de materia prima por kg	Ligeramente más caro por kg, pero a menudo rentable por unidad de capacidad de diseño.

Recomendación: Elija el grado 40 si: su diseño prioriza la ductilidad y la facilidad de manipulación en obra, si las normas o estándares especifican el grado 40, o si la carga es moderada y la congestión de las barras de refuerzo no es un problema. También es apropiado cuando se deben minimizar los problemas de soldabilidad y cuando el conformado posterior a la fabricación es frecuente. Elija el grado 60 si: necesita mayor límite elástico para barras de menor tamaño y menor densidad, cumplimiento de las normas estructurales modernas (muchas de las cuales exigen barras de refuerzo de mayor resistencia), o cuando el diseño requiere mayor capacidad de carga o mejor desempeño en el diseño sísmico. Si la soldabilidad y la tenacidad son importantes, prefiera el grado 60 producido mediante TMCP/microaleación.

Nota final: La norma ASTM A615 establece los requisitos mecánicos, no la composición química exhaustiva; solicite siempre a los proveedores los informes de ensayos de fábrica (MTR) y las instrucciones de fabricación. Para soldadura, doblado o aplicaciones estructurales críticas, coordine la selección del material con los detalles estructurales, los procedimientos de soldadura y los certificados de materiales para garantizar que el grado elegido cumpla con los requisitos del código y de constructibilidad.