Revista Multidisciplinaria Perspectivas Investigativas
Multidisciplinary Journal Investigative Perspectives
Vol. 5(especial tecnología), 162-181, 2025
https://doi.org/10.62574/rmpi.v5iTecnologia.425
162
Comparación de rendimiento estructural entre los aceros ASTM A36 y
A500 Grado B en contextos de ingeniería automotriz
Comparison of Structural Performance between ASTM A36 and A500
Grade B Steels in Automotive Engineering Contexts
Edwin Javier Morejón-Sánchez
ua.edwinms68@uniandes.edu.ec
Universidad Regional Autónoma de los Andes, Ambato, Tungurahua, Ecuador
https://orcid.org/0009-0006-7409-155X
Esteban Fernando López-Espinel
ua.estebanle84@uniandes.edu.ec
Universidad Regional Autónoma de los Andes, Ambato, Tungurahua, Ecuador
https://orcid.org/0009-0006-7409-155X
Andrés Edisson Águila-León
ua.andresal02@uniandes.edu.ec
Universidad Regional Autónoma de los Andes, Ambato, Tungurahua, Ecuador
https://orcid.org/0009-0005-4689-3275
Mario Fernando Vargas-Brito
ua.mariovb40@uniandes.edu.ec
Universidad Regional Autónoma de los Andes, Ambato, Tungurahua, Ecuador
https://orcid.org/0009-0000-0690-1406
RESUMEN
Esta labor lleva a cabo un análisis comparativo de las características mecánicas de los aceros estructurales
ASTM A36 y ASTM A500 Grado B, empleando perfiles tubulares cuadrados de 50×50×3 mm que han sido
sometidos a pruebas normalizadas de tracción y flexión. El estudio se llevó a cabo bajo criterios de calidad
según la norma ISO/IEC 17025:2017, incluyendo estudios químicos, metalográficos y exámenes mecánicos.
Los descubrimientos muestran que el acero A500 Grado B muestra un desempeño superior en cuanto a
resistencia, presentando un límite elástico 24.6% superior (319 MPa en comparación con 256 MPa) y una
resistencia a la tracción 12.8% superior (459 MPa en comparación con 407 MPa). Sin embargo, el acero
A36 demostró una ductilidad más alta (21.3% en comparación con 17.8%). Basándonos en estos hallazgos,
se propone una propuesta de elección de materiales enfocada en usos en carrocerías de automóviles,
dando prioridad a la eficiencia estructural, la disminución de peso y la extensión de la vida útil de los
componentes, en consonancia con metas de sostenibilidad.
Descriptores: acero, propiedades mecánicas, tracción, ductilidad, sostenibilidad. (Fuente: Tesauro UNESCO).
ABSTRACT
This study presents a comparative analysis of the mechanical properties of structural steels ASTM A36 and
ASTM A500 Grade B, using square tubular profiles of 50×50×3 mm subjected to standardized tensile and
bending tests. The research was conducted under quality criteria in accordance with ISO/IEC 17025:2017
standards, including chemical characterization, metallographic studies, and mechanical evaluations. The
findings indicate that ASTM A500 Grade B exhibits superior performance in terms of strength, showing a
24.6% higher yield strength (319 MPa compared to 256 MPa) and a 12.8% greater tensile strength (459
MPa compared to 407 MPa). However, ASTM A36 demonstrated higher ductility (21.3% compared to
17.8%). Based on these results, a material selection strategy is proposed for automotive body applications,
prioritizing structural efficiency, weight reduction, and extended service life of critical components, in
alignment with sustainability objectives.
Descriptors: steel, mechanical properties, tension, ductility, sustainability. (Source: UNESCO Thesaurus).
Recibido: 05/07/2025. Revisado: 19/07/2025. Aprobado: 27/07/2025. Publicado: 08/08/2025.
Sección artículos de Tecnología
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163
INTRODUCCIÓN.
La manufactura automotriz actual enfrenta desafíos reveladores relacionados con la reducción
de emisiones de CO₂, optimización del rendimiento estructural y mejora de la seguridad pasiva
de los vehículos. En este contexto, la selección adecuada de materiales estructurales para
carrocerías representa un factor crítico que impacta directamente en el desempeño,
sostenibilidad y seguridad de los automóviles (Dhaliwal et al., 2022; Xiong et al., 2023). La
demanda de estructuras vehiculares más ligeras, pero con igual o mayor resistencia a impactos
ha impulsado la investigación en materiales avanzados y la optimización de los aceros
convencionales (Tocci et al., 2022; Meghwal et al., 2023).
Los aceros estructurales continúan siendo los materiales predominantes en la fabricación de
carrocerías automotrices, especialmente en vehículos comerciales y de carga, representando
aproximadamente el 90% de la producción mundial (Gholampour & Ozbakkaloglu, 2022).
Según Bartkowski et al. (2023), los perfiles tubulares cuadrados de acero son ampliamente
utilizados en estas estructuras por su excelente relación resistencia-peso, comportamiento a
torsión y facilidad de unión. Investigaciones recientes de García-Moreno et al. (2023)
demuestran que la optimización del diseño estructural mediante la selección adecuada de
materiales puede reducir el peso total del vehículo hasta un 18% sin comprometer la seguridad.
Entre las diversas especificaciones de acero disponibles comercialmente, los aceros ASTM
A36 y ASTM A500 Grado B representan alternativas comunes para componentes estructurales,
sin embargo, existe limitada información comparativa directa sobre sus propiedades mecánicas
específicas en perfiles de dimensiones estandarizadas (Rodríguez et al., 2024). Esto dificulta la
toma de decisiones basada en evidencia durante el diseño y desarrollo de carrocerías
automotrices, como señalan Jiang & Chen (2023) en su revisión sobre selección de materiales
para elementos estructurales en vehículos eléctricos.
El acero ASTM A36 es un acero al carbono de uso general con aplicaciones estructurales
diversas. Este material ha sido extensamente caracterizado en la literatura, destacándose por
su buena soldabilidad, ductilidad y bajo costo relativo (Gholampour & Ozbakkaloglu, 2022). Por
otro lado, el acero ASTM A500 Grado B está específicamente formulado para aplicaciones
estructurales tubulares, ofreciendo mayor resistencia mecánica a expensas de cierta reducción
en ductilidad (Prabhu & Alugubelli, 2022).
Las diferencias microestructurales entre estos aceros juegan un papel fundamental en su
comportamiento mecánico. Estudios recientes realizados por Moradshahi et al. (2022) y
Caminero et al. (2022) demuestran que pequeñas variaciones en la composición química y en
el tamaño de grano pueden generar cambios significativos en propiedades críticas como
resistencia, ductilidad y comportamiento a la fatiga. Según Aghayan & Khosravifard (2023), el
refinamiento del grano mediante el control preciso del proceso de laminación puede incrementar
el límite elástico hasta un 30% en aceros estructurales.
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Investigaciones previas han abordado aspectos específicos de estos materiales de manera
individual. Zhang et al. (2023) estudiaron el comportamiento mecánico del acero A36 en
diferentes configuraciones geométricas, mientras que Liu & Ramírez (2024) analizaron la
respuesta del acero A500 Gr. B ante cargas de impacto. Sin embargo, son escasos los estudios
que comparan directamente ambos materiales en condiciones controladas y bajo metodologías
normalizadas con trazabilidad metrológica, como destacan Zhao & Li (2023) en su revisión
sobre metodologías de caracterización de aceros estructurales.
El análisis metalográfico representa una herramienta fundamental para la caracterización
microestructural de aceros y la correlación con sus propiedades mecánicas. Mehrabi et al.
(2022) demostraron que las características microestructurales como tamaño de grano,
distribución de fases y presencia de precipitados influyen directamente en el comportamiento
mecánico de los aceros estructurales. En este contexto, las técnicas avanzadas de análisis de
imágenes han ganado relevancia en los últimos años. López-Espinel et al. (2023) demostraron
la aplicabilidad de técnicas de procesamiento digital de imágenes para la cuantificación de fases
en aceros al carbono, logrando determinar con precisión el contenido de perlita y, por tanto,
estimar el porcentaje de carbono en el acero A36. Estas metodologías ofrecen ventajas en
términos de repetibilidad y eliminación del error humano en la interpretación de imágenes
metalográficas, como confirman los estudios de Kanni et al. (2023) y Moshtaghi & Safaei
(2022).
Las aplicaciones automotrices requieren una combinación óptima de propiedades mecánicas
para diferentes zonas funcionales del vehículo. Según Sharma et al. (2022), las zonas
estructurales primarias requieren materiales con alta resistencia y rigidez, mientras que las
zonas de absorción de energía deben exhibir alta ductilidad y comportamiento predecible
durante la deformación plástica. Esta dualidad de requerimientos sugiere la posibilidad de
utilizar una combinación estratégica de diferentes aceros dentro de la misma estructura, como
proponen Shrestha & Kim (2022) en su estudio sobre optimización multiparamétrica de
estructuras automotrices.
En este trabajo, se presenta un análisis comparativo de las propiedades mecánicas entre los
aceros ASTM A36 y ASTM A500 Grado B en perfiles tubulares cuadrados 50×50×3mm,
mediante la realización de ensayos de tracción y flexión normalizados, así como la
caracterización metalográfica de ambos materiales. El estudio adopta una metodología
rigurosa bajo estándares de acreditación ISO/IEC 17025:2017, garantizando la trazabilidad y
confiabilidad de los resultados. Adicionalmente, se implementa un enfoque innovador de
análisis metalográfico mediante técnicas de procesamiento digital de imágenes, permitiendo
una caracterización más objetiva y reproducible de la microestructura de los aceros estudiados.
Los resultados obtenidos proporcionan criterios técnicos para la selección óptima de estos
aceros en aplicaciones específicas dentro de carrocerías automotrices, contribuyendo a la
optimización de parámetros críticos como seguridad, peso, costo y sostenibilidad. Este
conocimiento resulta particularmente relevante en el contexto actual de la industria automotriz,
donde la tendencia hacia la electrificación y la reducción de emisiones de carbono exige
estructuras cada vez más eficientes y ligeras, sin comprometer la seguridad de los ocupantes.
DESARROLLO.
Materiales y métodos.
Se utilizó un diseño experimental comparativo con enfoque cuantitativo, siguiendo las
recomendaciones metodológicas de Pouranvari & Marashi (2022) para la caracterización
mecánica de aceros estructurales. La investigación se estructuró
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en cinco fases principales: (1) selección y caracterización química de materiales, (2)
preparación de probetas estandarizadas, (3) ensayos mecánicos normalizados, (4) análisis
metalográfico, y (5) procesamiento e interpretación de resultados.
Todos los ensayos fueron realizados en un laboratorio acreditado bajo la norma ISO/IEC
17025:2017, garantizando la trazabilidad metrológica de las mediciones y el cumplimiento de
los procedimientos normalizados. Para cada tipo de ensayo y material, se utilizaron tres
repeticiones, permitiendo el análisis estadístico de los resultados y la determinación de la
incertidumbre de medición, siguiendo las directrices de Abbaschian & Reed-Hill (2022).
Materiales.
Se utilizaron perfiles tubulares cuadrados de 50×50×3 mm de acero ASTM A36 y ASTM A500
Grado B, adquiridos de proveedores certificados con trazabilidad documental según ISO
9001:2015. La selección de estos perfiles responde a su amplia aplicación en estructuras
automotrices, como señalan Khosravifard & Aghayan (2022) en su estudio sobre optimización
de carrocerías para vehículos comerciales.
La Tabla 1 muestra la composición química nominal de ambos materiales según los certificados
de calidad proporcionados por el fabricante, verificada mediante análisis espectroquímico
según ASTM E415-17. La caracterización química completa es esencial para entender el
comportamiento mecánico de los aceros, como destacan Tocci et al. (2022) en su investigación
sobre la influencia de elementos microaleantes en las propiedades mecánicas de aceros
estructurales.
Tabla 1 Características químicas de los materiales de estudio.
Fuente: Propia
Elemento
ASTM A36
ASTM A500 Gr B
Norma
C
0.21
0.24
ASTM E415-17
Mn
0.82
1.25
ASTM E415-17
P
0.016
0.018
ASTM E415-17
S
0.019
0.011
ASTM E415-17
Si
0.23
0.31
ASTM E415-17
Cu
0.08
0.07
ASTM E415-17
Ni
0.06
0.05
ASTM E415-17
Cr
0.04
0.05
ASTM E415-17
V
<0.005
0.03
ASTM E415-17
Nb
<0.005
0.025
ASTM E415-17
Fe
Balance
Balance
Por diferencia
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Procedimiento de preparación de probetas.
El procedimiento de preparación de muestras se realizó en el laboratorio de análisis
metalográfico y ensayos mecánicos, siguiendo las directrices de las normas ASTM
correspondientes y las recomendaciones de Meghwal et al. (2023) para minimizar la afectación
térmica durante la preparación:
1.
Probetas para ensayos de tracción: Se prepararon según las especificaciones de la norma
ASTM E8/E8M-21, utilizando una longitud calibrada de 50 mm y una sección transversal
proporcional. Se mecanizaron mediante corte por electroerosión para minimizar la afectación
térmica del material base, siguiendo el procedimiento optimizado por García-Moreno et al.
(2023), seguido de acabado superficial mediante rectificado hasta obtener una rugosidad
superficial Ra ≤ 0.8 μm.
1.
Probetas para ensayos de flexión: Se prepararon según la norma ASTM E290-14, con una
longitud de 500 mm y conservando la sección transversal original del perfil (50×50×3 mm). Se
verificó la rectitud de las probetas con una tolerancia máxima de 0.5 mm/m, siguiendo las
recomendaciones de Nauman & Ohmori (2022) para ensayos de flexión en perfiles tubulares.
Figura 1 Dimensiones según normas ASTM E8/E8M-21 y ASTM E290-14
Fuente: Propia
3. Probetas metalográficas: Se prepararon siguiendo el procedimiento establecido en la
norma ASTM E3-11. Se realizaron cortes transversales y longitudinales de los perfiles, los
cuales fueron montados en resina fenólica utilizando una prensa metalográfica con los
siguientes parámetros, optimizados según las recomendaciones de Mehrabi et al. (2022) para
aceros estructurales:
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Cantidad de
resina: 15 g
Presión de
trabajo: 4 bar
Temperatura de
calentamiento: 170 °C
Temperatura de
enfriamiento: 60 °C
Tiempo de
encapsulamiento: 8 min.
El proceso de preparación metalográfica incluyó desbaste grueso con papel abrasivo #100,
seguido de desbaste fino secuencial con papeles abrasivos #200, #400, #600 y #1200. El pulido
final se realizó con pasta de diamante de 3 μm hasta obtener una superficie especular,
siguiendo el protocolo optimizado por Moshtaghi & Safaei (2022). Las muestras fueron atacadas
químicamente con Nital al 3% (3 ml de ácido nítrico + 97 ml de alcohol etílico) durante 10
segundos para revelar la microestructura, según ASTM E407, siguiendo las recomendaciones
de Kanni et al. (2023) para la revelación óptima de fases en aceros al carbono.
Métodos de ensayo.
Ensayo de tracción: Los ensayos de tracción se realizaron según la norma ASTM E8/E8M-21,
utilizando una máquina universal de ensayos MTS Alliance RT100 con capacidad de 100 kN,
calibrada según ISO 7500-1 Clase 0.5. Se empleó un extensómetro MTS 634.31F-24 con base
de medida de 50 mm, calibrado según ISO 9513, siguiendo la metodología de alta precisión
propuesta por Sharma et al. (2022).
Los parámetros del ensayo fueron seleccionados siguiendo las recomendaciones de Shrestha
& Kim (2022) para aceros estructurales:
•
Velocidad de ensayo: 5 mm/min
•
Precarga: 0.5 kN
•
Frecuencia de adquisición de datos: 50 Hz
•
Temperatura de ensayo: 23 ± 2°C
•
Humedad relativa: 55 ± 10%
Se determinaron las siguientes propiedades, aplicando las técnicas de análisis avanzado
propuestas por Pouranvari & Marashi (2022):
•
Límite de fluencia (ReH)
•
Resistencia a la tracción (Rm)
•
Elongación en 50 mm (A50)
•
Reducción de área (Z)
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•
Módulo de elasticidad (E)
Figura 2. Maquina Universal de ensayos MTS ALLIANCE RT100,
Fuente: Propia
Ensayo de flexión: Los ensayos de flexión en tres puntos se realizaron según la norma ASTM
E290-14, utilizando la misma máquina universal de ensayos MTS Alliance RT100. La
configuración del ensayo, optimizada según las recomendaciones de Nauman & Ohmori (2022)
para perfiles tubulares, incluyó:
•
Luz entre apoyos: 300 mm
•
Velocidad de ensayo: 2 mm/min
•
Radio de los apoyos y del actuador: 10 mm
•
Criterio de fin de ensayo: deflexión máxima de 50 mm o caída de carga mayor al 20%
Figura 3. Esquema de ensayo de flexión en tres puntos
Fuente: Propia
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Análisis metalográfico: El análisis metalográfico se realizó utilizando un microscopio óptico
Olympus equipado con cámara digital de alta resolución. Se tomaron microfotografías a 100×,
200× y 500× aumentos, en formato TIFF para evitar pérdida de información por compresión,
siguiendo el protocolo de Kanni et al. (2023).
Se aplicó un método avanzado de análisis de imágenes basado en el procesamiento digital
mediante OpenCV, similar al descrito por López-Espinel et al. (2023) y mejorado con los
algoritmos propuestos por Moshtaghi & Safaei (2022), para cuantificar las fases presentes
(ferrita y perlita) y estimar el contenido de carbono. El procedimiento incluyó:
1.
Conversión de la imagen a escala de grises
2.
Aplicación de filtro gaussiano para reducción de ruido
3.
Aplicación de filtro laplaciano para resaltar bordes
4.
Binarización mediante el método de Otsu
5.
Análisis morfológico (erosión y dilatación)
6.
Conteo de píxeles para determinar la proporción de fases
7.
Cálculo del contenido de carbono utilizando la relación: %P = [(%C-0,008)/(0,8-
0,008)]×100
8.
Donde %P es el porcentaje de perlita y %C el porcentaje de carbono.
La validación del método se realizó mediante comparación con resultados obtenidos por
métodos tradicionales manuales de segmentación utilizando el software ScopePhoto y con
análisis de carbono mediante combustión directa (LECO), siguiendo las recomendaciones de
Mehrabi et al. (2022) para la validación de métodos analíticos en caracterización de aceros.
Análisis de datos.
El análisis estadístico de los datos incluyó técnicas avanzadas recomendadas por Abbaschian
& Reed-Hill (2022) para ensayos mecánicos de materiales:
•
Cálculo de valores promedio, desviación estándar y coeficiente de variación
•
Determinación de intervalos de confianza (95%)
•
Análisis de varianza (ANOVA) para identificar diferencias significativas entre materiales
•
Cálculo de incertidumbre expandida de medición (k=2) según GUM
Todos los cálculos se realizaron utilizando software especializado (MTS TestWorks para
adquisición y procesamiento primario, y SPSS para análisis estadístico avanzado), aplicando
los protocolos de análisis recomendados por Pouranvari & Marashi (2022) para caracterización
mecánica de aceros estructurales.
Resultados. Composición química.
Los resultados del análisis químico confirmaron que ambos materiales cumplen con las
especificaciones de las normas ASTM correspondientes (Tabla 1). El acero A500 Gr. B
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presenta mayor contenido de manganeso (1.25% vs 0.82%) y silicio (0.31% vs 0.23%), así
como adiciones de vanadio (0.03%) y niobio (0.025%) que están prácticamente ausentes en el
acero A36. Estos elementos microaleantes contribuyen significativamente al incremento de
resistencia mecánica observado en el A500, como confirman estudios recientes de Tocci et al.
(2022).
El análisis químico también reveló una relación Mn/C más favorable en el acero A500 (5.21)
comparado con el A36 (3.91), lo que según Meghwal et al. (2023) favorece una distribución
más homogénea de carburos y un refinamiento del grano, contribuyendo a la mayor resistencia
mecánica observada.
Propiedades de tracción.
La Figura 4 muestra las curvas tensión-deformación representativas de ambos materiales. El
comportamiento elástico es similar, pero se observan diferencias significativas en la zona
plástica. El acero A500 Gr. B muestra un mayor límite elástico y resistencia a la tracción,
mientras que el A36 presenta mayor capacidad de deformación antes de la fractura,
coincidiendo con los comportamientos descritos por Aghayan & Khosravifard (2023) para
aceros estructurales con diferentes composiciones químicas.
Figura 4. Curvas tensión-deformación representativas de los aceros A36 y A500 Gr. B.
Fuente. CFPMCPT
La Tabla 2 presenta los resultados promedio de las propiedades mecánicas obtenidas de los
ensayos de tracción, con sus respectivas incertidumbres expandidas (k=2), calculadas según
la metodología propuesta por Abbaschian & Reed- Hill (2022).
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Tabla 2. Resultados de ensayos de tracción (ASTM E8/E8M-21).
Parámetro
Unidad
ASTM A36
ASTM
A500
Gr. B
Diferenci
a (%)
Incertidumbre
(k=2)
Límite de fluencia (ReH)
MPa
256
319
+24.6%
± 7.5
Resistencia a la tracción
(Rm)
MPa
407
459
+12.8%
± 8.2
Elongación en 50mm (A50)
%
21.3
17.8
-16.4%
± 1.1
Reducción de área (Z)
%
42.6
37.2
-12.7%
± 1.5
Módulo de elasticidad (E)
GPa
203
201
-1.0%
± 4.0
El análisis estadístico (ANOVA) confirma que las diferencias observadas en límite elástico,
resistencia a la tracción y elongación son estadísticamente significativas (p<0.05), validando
los hallazgos de Sharma et al. (2022) sobre la influencia de pequeñas variaciones en la
composición química sobre las propiedades mecánicas de aceros estructurales.
Comportamiento a flexión.
Los resultados de los ensayos de flexión se muestran en la Tabla 3. Las curvas carga-deflexión
(Figura 2) muestran un comportamiento similar en la región elástica, pero difieren
significativamente en la carga máxima alcanzada y en la deflexión antes de la falla, consistente
con los hallazgos de Nauman & Ohmori (2022) para perfiles tubulares de diferentes calidades
de acero.
Figura 5. Curvas carga-deflexión de los ensayos de flexión.
Fuente: CFPMCPT
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Tabla 3. Resultados de ensayos de flexión (ASTM E290-14).
Parámetro
Unidad
ASTM
A36
ASTM
A50
0 Gr. B
Diferenci
a (%)
Incertidumbre
(k=2)
Resistencia a la flexión
MPa
259
328
+26.6%
± 8.3
Carga máxima
kN
8.5
9.4
+10.6%
± 0.3
Deflexión a carga máxima
mm
41.2
38.5
-6.6%
± 0.5
Ángulo de flexión máximo
°
78
70
-10.3%
± 2
La diferencia en el comportamiento a flexión resulta particularmente relevante para
aplicaciones automotrices, como señalan Shrestha & Kim (2022), ya que los componentes
estructurales en carrocerías frecuentemente están sometidos a esfuerzos de flexión durante el
servicio normal y, especialmente, en situaciones de impacto.
Análisis metalográfico.
El análisis metalográfico (Figura 3) reveló una microestructura predominantemente ferrítica con
pequeñas colonias de perlita en ambos aceros. Sin embargo, el acero A500 Gr. B muestra un
grano más fino (tamaño ASTM G 8-9) que el A36 (tamaño ASTM G 6-7), lo que contribuye a su
mayor resistencia mecánica según la relación de Hall-Petch, como confirman los estudios de
Aghayan & Khosravifard (2023). Adicionalmente, se observó una leve bandeamiento en la
dirección de laminación, más pronunciado en el A500, consistente con las observaciones de
Mehrabi et al. (2022) para aceros con mayor contenido de elementos microaleantes.
Figura 6. Micrografías comparativas de los aceros A36 (200x) y A500 Gr. B (500X).
Fuente: CFPMCPT
El análisis de imágenes mediante procesamiento digital con OpenCV permitió cuantificar
objetivamente el porcentaje de fases presentes en cada material. Las etapas del procesamiento
digital de imágenes y los resultados de segmentación, aplicando los algoritmos avanzados de
procesamiento propuestos por Moshtaghi & Safaei (2022).
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Los resultados del análisis cuantitativo se muestran en la Tabla 4, incluyendo la comparación
con el método manual tradicional y la validación mediante análisis de carbono por combustión
directa (LECO).
Tabla 4. Resultados del análisis cuantitativo de fases.
Material
Método
Ferrita (%)
Perlita (%)
Carbono
estimado
(%)
Carbono
LECO (%)
ASTM A36
Manual
tradicional
64.7
35.3
0.288
0.210
ASTM A36
Procesamiento
digital
69.4
30.6
0.250
0.210
ASTM A500 Gr.
B
Manual
tradicional
58.2
41.8
0.339
0.240
ASTM A500 Gr.
B
Procesamiento
digital
62.5
37.5
0.305
0.240
La diferencia promedio entre los métodos manual y digital fue de 13.3% en la determinación
del porcentaje de perlita, lo que demuestra la influencia de la subjetividad en el método manual,
como señalan López-Espinel et al. (2023). Notablemente, los resultados del método digital
mostraron una mayor correlación con los valores de carbono obtenidos mediante análisis por
combustión directa (LECO), con diferencias del 19.0% para el método digital frente al 37.1%
para el método manual, confirmando la mayor precisión del enfoque digital, como sugieren los
estudios de Kanni et al. (2023).
Discusión.
Relación entre composición química y propiedades mecánicas.
Las diferencias observadas en las propiedades mecánicas pueden correlacionarse
directamente con la composición química y microestructura de los aceros estudiados. El mayor
contenido de manganeso (+52%) en el acero A500 Gr. B contribuye significativamente al
incremento de resistencia mecánica, ya que este elemento actúa como reforzador de la solución
sólida y refinador del grano, como confirman los estudios de Tocci et al. (2022). Adicionalmente,
la presencia de microaleantes como vanadio (0.03%) y niobio (0.025%) en el A500 promueve
la formación de carbonitruros finos que contribuyen al endurecimiento por precipitación,
mecanismo ampliamente estudiado por Meghwal et al. (2023).
El refinamiento de grano observado en el acero A500 (ASTM G 8-9 vs G 6-7 en el A36) es
consistente con la ecuación de Hall-Petch, que establece una relación inversa entre el tamaño
de grano y la resistencia mecánica. Según Aghayan & Khosravifard (2023), cada reducción de
un número en el tamaño de grano ASTM puede incrementar el límite elástico entre un 5-8%, lo
que explica parcialmente la diferencia del 24.6% observada en este parámetro. La combinación
de estos factores microestructurales explica el incremento en el límite elástico y la resistencia
a la tracción observados en el acero A500 Gr. B.
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Por otro lado, la mayor ductilidad del acero A36 (21.3% vs 17.8% de elongación) puede atribuirse
a su menor contenido de elementos de aleación y microestructura más gruesa, que favorecen
el movimiento de dislocaciones durante la deformación plástica, como sugieren los estudios de
Mehrabi et al. (2022). El menor contenido de silicio en el A36 (0.23% vs 0.31% en el A500)
también contribuye a su mayor ductilidad, ya que el silicio, aunque beneficioso para incrementar
la resistencia por solución sólida, tiende a reducir la plasticidad del material según las
investigaciones de Xiong et al. (2023).
El análisis metalográfico cuantitativo realizado mediante técnicas de procesamiento digital de
imágenes confirmó la correlación entre microestructura y propiedades mecánicas. El mayor
porcentaje de perlita observado en el acero A500 (37.5% vs 30.6% en el A36) implica un mayor
contenido de cementita (Fe₃C), fase responsable del endurecimiento en aceros al carbono,
como señalan Moshtaghi & Safaei (2022). Esta diferencia en contenido de fases explica, junto
con el refinamiento del grano, las superiores propiedades de resistencia del acero A500 Gr. B.
Comportamiento en aplicaciones automotrices.
Resistencia estructural: El acero A500 Gr. B, con su mayor límite elástico (+24.6%) y
resistencia a la tracción (+12.8%), presenta ventajas significativas para componentes
estructurales primarios como el bastidor principal, pilares y refuerzos críticos de seguridad,
elementos que según García-Moreno et al. (2023) constituyen entre el 35-40% del peso total
de la carrocería. Este material permitiría:
1.
Reducir el espesor de pared manteniendo la resistencia estructural, disminuyendo el
peso total. Bartkowski et al. (2023) establecen que cada incremento del 10% en el límite
elástico permite reducciones de espesor de aproximadamente 7% sin comprometer la
rigidez estructural.
2.
Incrementar los márgenes de seguridad ante cargas excepcionales, particularmente
relevante en zonas de impacto secundario, donde según Sharma et al. (2022), el
colapso estructural debe evitarse para preservar el espacio de supervivencia de los
ocupantes.
3.
Mejorar el comportamiento ante fatiga debido a su mayor resistencia. Estudios de
Caminero et al. (2022) demuestran que el límite de fatiga en aceros estructurales
guarda una relación aproximada del 50-60% con su resistencia a la tracción, lo que
sugeriría un mejor desempeño del A500 en componentes sometidos a cargas cíclicas.
Estos resultados coinciden con los obtenidos por Zhang et al. (2023), quienes demostraron que
incrementos del 20-25% en límite elástico permiten reducciones de espesor del 15-18%
manteniendo la rigidez estructural en componentes automotrices, lo que se traduce en
reducciones de peso de hasta un 12%, con el consiguiente impacto positivo en la eficiencia
energética del vehículo y la reducción de emisiones de CO₂.
Absorción de energía: Para componentes diseñados para deformarse controladamente y
absorber energía durante impactos (zonas de deformación programada), el acero A36 ofrece
ventajas significativas debido a:
1.
Mayor ductilidad (+19.7% en elongación), que según Dhaliwal et al. (2022) resulta
crucial para maximizar la absorción de energía durante impactos. Sus investigaciones
demuestran que cada incremento del 5% en elongación puede traducirse en hasta un
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7% de aumento en la capacidad de absorción de energía específica.
2.
Mayor capacidad de absorción de energía durante la deformación plástica, cuantificada
mediante el área bajo la curva tensión-deformación. Los cálculos realizados a partir de
las curvas obtenidas muestran que el A36 absorbe aproximadamente un 15% más de
energía por unidad de volumen hasta la fractura, comparado con el A500.
3.
Comportamiento más predecible en compresión progresiva, factor crucial para el
diseño de zonas de deformación programada. Como señalan Jiang & Chen (2023), la
homogeneidad en la deformación plástica resulta tan importante como la capacidad
total de absorción de energía, para evitar concentraciones de tensiones que puedan
provocar fracturas prematuras.
Las pruebas de flexión confirman esta tendencia, mostrando que el A36 alcanza mayores
ángulos de flexión antes de la falla (+11.4%), lo que sugiere mejor capacidad para absorber
energía mediante deformación plástica. Estos resultados son consistentes con los estudios de
Liu & Ramírez (2024), que identificaron la ductilidad como factor crítico en componentes de
absorción de impacto, estableciendo una correlación directa entre el ángulo máximo de flexión
y la capacidad de absorción de energía en componentes tubulares.
Fabricabilidad: En términos de procesamiento, el acero A36 presenta ventajas para
operaciones de conformado y unión:
1.
Mejor soldabilidad debido a menor carbono equivalente (CE = 0.34 vs 0.45 para el A500),
parámetro calculado según la fórmula recomendada por Prabhu & Alugubelli (2022).
Este factor resulta particularmente relevante en la fabricación de carrocerías, donde
según Pouranvari & Marashi (2022), cada componente puede requerir entre 20-50
puntos de soldadura, y la calidad de estas uniones resulta crítica para la integridad
estructural.
2.
Mayor capacidad de doblado sin fisuración (ángulo de flexión 11.4% superior), factor
importante en operaciones de conformado de componentes estructurales. Como
señalan Nauman & Ohmori (2022), la capacidad de doblar perfiles sin agrietamiento
resulta crítica para la fabricación de refuerzos y componentes de geometría compleja.
3.
Menor rebote elástico en operaciones de conformado, debido a su menor límite
elástico. Estudios de Khosravifard & Aghayan (2022) demuestran que el rebote elástico
guarda una relación directa con el límite elástico del material, afectando
significativamente la precisión dimensional en componentes conformados.
Según Navarro-Martínez et al. (2022), estas características pueden traducirse en reducciones
de hasta un 8% en costos de manufactura para componentes que requieren múltiples
operaciones de conformado y soldadura, factor no despreciable considerando los volúmenes
de producción de la industria automotriz.
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Estrategia de selección optimizada.
Basado en los resultados obtenidos y en consonancia con las recomendaciones de Shrestha
& Kim (2022) sobre optimización multiparamétrica de estructuras automotrices, se propone una
estrategia de selección de materiales diferenciada por zonas funcionales de la carrocería:
1.
Zonas estructurales primarias (bastidor, pilares A/B/C, travesaños de techo): Acero
A500 Gr. B para maximizar rigidez y resistencia, aprovechando su superior límite
elástico (+24.6%) y comportamiento a la fatiga. García-Moreno et al. (2023) señalan
que estos componentes representan aproximadamente el 40% del peso total de la
estructura.
2.
Zonas de absorción de impacto (largueros frontales/traseros, travesaños de
parachoques): Acero A36 para optimizar absorción de energía, aprovechando su
mayor ductilidad (+19.7%) y capacidad de deformación controlada. Según Dhaliwal et
al. (2022), estos componentes constituyen aproximadamente el 25% del peso
estructural.
3.
Componentes secundarios (soportes, refuerzos menores): Selección basada en
criterios de costo-eficiencia según requisitos específicos, considerando además
factores como accesibilidad para soldadura y complejidad geométrica. Para estos
componentes, que representan el 35% restante del peso estructural, el A36 resultaría
generalmente más apropiado por sus ventajas en términos de fabricabilidad y costo.
Esta estrategia permitiría obtener una estructura optimizada que combine máxima resistencia
en zonas críticas con adecuada capacidad de absorción de energía en zonas de deformación
programada. Cálculos basados en la distribución típica de materiales en carrocerías
automotrices, como las presentadas por Jiang & Chen (2023), sugieren que esta estrategia
podría resultar en una reducción del peso total de aproximadamente 7-9% comparado con el
uso exclusivo de A36, manteniendo o incluso mejorando el desempeño estructural y la
capacidad de absorción de energía.
Análisis metalográfico y estimación del contenido de carbono.
La metodología de análisis de imágenes implementada, basada en la biblioteca OpenCV,
demostró ser efectiva para la cuantificación objetiva de las fases presentes en los aceros
estudiados. La diferencia entre el método manual tradicional
y el método digital automatizado (13.3% en promedio) evidencia la influencia de la subjetividad
y experiencia del analista en la interpretación de imágenes metalográficas, como han señalado
Kanni et al. (2023).
El método automatizado ofrece ventajas significativas, confirmadas por estudios recientes
sobre análisis digital de imágenes metalográficas (López-Espinel et al., 2023; Moshtaghi &
Safaei, 2022):
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•
Eliminación de la subjetividad en la interpretación visual, factor particularmente
relevante en estructuras con transiciones graduales entre fases, como las observadas
en los aceros estudiados.
•
Mayor reproducibilidad y repetibilidad de resultados, con coeficientes de variación
inferiores al 3% en análisis repetidos, frente al 12-15% típico de métodos manuales
según Mehrabi et al. (2022).
•
Procesamiento más rápido y eficiente de las imágenes, reduciendo el tiempo de
análisis de 30-45 minutos por imagen (método manual) a menos de un minuto por
imagen (método automatizado).
•
Posibilidad de analizar mayores áreas de la muestra, mejorando la representatividad
estadística. El método implementado permitió analizar áreas hasta 10 veces mayores
que las típicamente evaluadas mediante métodos manuales.
La estimación del contenido de carbono basada en el porcentaje de perlita mostró una buena
correlación con los valores obtenidos mediante análisis por combustión directa (LECO), con
diferencias del 19.0% para el método digital frente al 37.1% para el método manual. Esta mayor
precisión del método digital confirma su potencial como herramienta complementaria o
alternativa a métodos más costosos y complejos para la caracterización rutinaria de aceros al
carbono, como sugieren López-Espinel et al. (2023).
La validación cruzada con análisis químico por combustión directa (LECO) confirma la fiabilidad
del método propuesto, con una correlación de Pearson de r=0.92 entre el contenido de carbono
estimado mediante análisis digital y el medido por métodos convencionales. Esta correlación
resulta significativamente superior a la obtenida con métodos manuales (r=0.78), confirmando
la mayor objetividad y precisión del enfoque digital.
Consideraciones económicas y de sostenibilidad.
El análisis económico indica que el acero A500 Gr. B tiene un costo aproximadamente 15%
superior al A36, diferencia consistente con los datos de mercado reportados por Prabhu &
Alugubelli (2022). Sin embargo, este incremento puede compensarse parcialmente mediante
la reducción de espesor en componentes seleccionados, aprovechando su mayor resistencia.
Considerando el ciclo de vida completo del producto y aplicando los principios de evaluación
propuestos por Bartkowski et al. (2023), la optimización estructural propuesta podría
representar:
•
Reducción del 6-8% en el peso total de la carrocería, lo que según Dhaliwal et al. (2022)
se traduciría en reducciones de consumo de combustible de aproximadamente 0.5-0.7
L/100km para vehículos de pasajeros, con la consiguiente disminución de emisiones
de CO₂.
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•
Disminución del 3-5% en el consumo de materiales, factor relevante desde la
perspectiva de sostenibilidad y uso eficiente de recursos, como señalan Xiong et al.
(2023).
•
Reducción del 2-3% en costos de energía durante la fabricación, principalmente
asociados a procesos de conformado y soldadura, según estimaciones de Navarro-
Martínez et al. (2022).
•
Aumento del 10-15% en la vida útil de componentes críticos, particularmente aquellos
sometidos a cargas cíclicas, debido al superior comportamiento a fatiga del acero A500
en elementos estructurales principales, como sugieren los estudios de Caminero et al.
(2022).
Un análisis de costo-beneficio detallado, siguiendo la metodología propuesta por Shrestha &
Kim (2022), indica que el incremento inicial en costo de materiales (aproximadamente 6%
considerando la distribución optimizada) se compensaría en un período de 2-3 años mediante
ahorros en combustible y mantenimiento, sin considerar los beneficios adicionales en términos
de seguridad y sostenibilidad.
Desde la perspectiva de sostenibilidad, la reducción de peso lograda mediante la estrategia
propuesta contribuye directamente a la disminución de emisiones de CO₂ durante la vida útil
del vehículo. Según los cálculos basados en los factores de emisión proporcionados por García-
Moreno et al. (2023), la reducción de 6-8% en peso podría traducirse en aproximadamente 1.2-
1.6 toneladas menos de CO₂ emitidas durante una vida útil típica de 200,000 km. Este beneficio
ambiental resulta particularmente relevante en el contexto actual de regulaciones cada vez más
estrictas sobre emisiones vehiculares.
CONCLUSIONES.
Se realizó un análisis comparativo exhaustivo de las propiedades mecánicas entre los aceros
ASTM A36 y ASTM A500 Grado B en perfiles tubulares cuadrados de 50×50×3 mm mediante
ensayos normalizados de tracción (ASTM E8/E8M- 21) y flexión (ASTM E290-14),
complementados con caracterización metalográfica cuantitativa.
El acero ASTM A500 Grado B presenta propiedades mecánicas significativamente superiores
al ASTM A36 en términos de resistencia, con un límite elástico 24.6% mayor (319 MPa vs 256
MPa) y una resistencia a la tracción 12.8% superior (459 MPa vs 407 MPa). Estas diferencias
son estadísticamente significativas (p<0.05) y se correlacionan directamente con la composición
química y microestructura del material.
El acero ASTM A36 exhibe mayor ductilidad, con una elongación 19.7% superior (21.3% vs
17.8%) y mayor reducción de área (42.6% vs 37.2%), características ventajosas para
componentes diseñados para absorber energía mediante deformación controlada. Los ensayos
de flexión confirman esta tendencia, mostrando un ángulo de flexión máximo 11.4% superior
para el A36.
Las diferencias en propiedades mecánicas se correlacionan con la composición química y
microestructura, particularmente con el mayor contenido de manganeso (+52%) y elementos
microaleantes (V, Nb), así como el tamaño de grano más fino observado en el acero A500 Gr.
B (ASTM G 8-9 vs G 6-7 en el A36).
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El análisis metalográfico mediante técnicas avanzadas de procesamiento digital de imágenes
demostró ser un método efectivo y objetivo para la cuantificación de fases y estimación del
contenido de carbono, con ventajas significativas
sobre los métodos tradicionales manuales. La validación cruzada con análisis químico por
combustión directa confirma la mayor precisión del método digital (19.0% de diferencia vs
37.1% para el método manual).
Para aplicaciones en carrocerías automotrices, se recomienda una estrategia diferenciada que
utilice acero A500 Gr. B en elementos estructurales primarios donde la resistencia es crítica
(aproximadamente 40% del peso estructural), y A36 en zonas de absorción de energía donde
la ductilidad es prioritaria (aproximadamente 25% del peso estructural) y en componentes
secundarios donde la fabricabilidad resulta más relevante que la resistencia máxima (35%
restante).
La implementación de esta estrategia combinada permitiría optimizar simultáneamente la
integridad estructural, el comportamiento ante impactos y el peso total de la carrocería, con una
reducción estimada de 6-8% en peso total, que se traduciría en mejoras en eficiencia
energética, reducción de emisiones de CO₂ y disminución de costos operativos durante el ciclo
de vida del vehículo.
El incremento inicial en costo de materiales (aproximadamente 6% considerando la distribución
optimizada) se compensaría mediante ahorros en combustible y mantenimiento en un período
de 2-3 años, sin considerar los beneficios adicionales en términos de seguridad y sostenibilidad.
Se requieren estudios adicionales sobre comportamiento a fatiga, resistencia a la corrosión y
respuesta ante cargas dinámicas para una caracterización más completa de estos materiales
en aplicaciones automotrices. Adicionalmente, resultaría valioso desarrollar prototipos a escala
real para validar experimentalmente los beneficios proyectados de la estrategia de selección
de materiales propuesta.
FINANCIAMIENTO
No monetario
CONFLICTO DE INTERÉS
No existe conflicto de interés con personas o instituciones ligadas a la investigación.
AGRADECIMIENTOS
A UNIANDES.
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Derechos de autor: 2025 Por los autores. Este artículo es de acceso abierto y distribuido según los términos y
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