Análisis de las causas comunes de fractura de pernos de sujeción

Hay varias razones para la fractura de pernos ensujetadores. En términos generales, el daño a los pernos es causado por el factor de tensión, la fatiga, la corrosión y la fragilización por hidrógeno.

Fractura de perno

1. Factor de estrés
El exceso de tensión convencional (sobreesfuerzo) es causado por cualquiera o una combinación de corte, tensión, flexión y compresión.
La mayoría de los diseñadores consideran primero la combinación de carga de tracción, fuerza de precarga y carga práctica adicional. La fuerza de pretensado es básicamente interna y estática, lo que comprime los componentes de la unión. Las cargas prácticas son fuerzas externas, típicamente cíclicas (alternativas) aplicadas a los sujetadores.
La carga de tracción intenta resistir la apertura de los componentes de la junta. Cuando estas cargas exceden el límite elástico del perno, el perno cambia de deformación elástica a deformación plástica, lo que resulta en una deformación permanente del perno. Por lo tanto, no se puede restaurar a su estado original cuando se elimina la carga externa. Por razones similares, si la carga externa sobre el perno excede su resistencia máxima a la tracción, el perno se romperá.
El apriete de los pernos se logra girándolos con fuerza de precarga. Durante la instalación, un par excesivo conduce a un ajuste excesivo y reduce la resistencia a la tracción axial de los sujetadores al someterlos a una tensión excesiva. En otras palabras, los pernos sometidos a torsión continua tienen valores de elasticidad más bajos en comparación con los pernos sometidos directamente a tensión y tensión. De esta forma, el perno podrá ceder antes de alcanzar la resistencia mínima a tracción de la norma correspondiente. Un par elevado puede aumentar la fuerza de preapriete del perno y, en consecuencia, reducir la holgura de la junta. Para aumentar la fuerza de bloqueo, la fuerza de preapriete generalmente se establece en un límite superior. De esta manera, a menos que la diferencia entre el límite elástico y la resistencia máxima a la tracción sea pequeña, los pernos generalmente no cederán debido a la torsión.
La carga de corte aplica una fuerza vertical al eje longitudinal de latornillo. El esfuerzo cortante se divide en esfuerzo cortante simple y esfuerzo cortante doble. A partir de datos empíricos, el esfuerzo cortante único último es aproximadamente el 65% del esfuerzo de tracción último. Muchos diseñadores prefieren las cargas cortantes porque utilizan la resistencia a la tracción y al corte de los pernos. Actúan principalmente como clavijas, formando conexiones relativamente simples para sujetadores sujetos a corte. La desventaja es que las conexiones de corte tienen una gama limitada de aplicaciones y no pueden usarse con frecuencia, ya que requieren más materiales y espacio. Sabemos que la composición y precisión de los materiales también juegan un papel decisivo. Sin embargo, los datos del material que convierten la tensión de tracción en carga de corte a menudo no están disponibles.
La fuerza de preapriete de los sujetadores afecta la integridad de las conexiones de corte. Cuanto menor sea la fuerza de precarga, más fácil será que la capa de unión se deslice cuando esté en contacto con el perno. La capacidad de carga de corte se calcula multiplicando el número de planos transversales (un plano de corte se llama corte simple y dos planos de corte se llaman corte doble), que deben ser las secciones transversales de los pernos sin rosca. No recomendamos el diseño de roscas pasantes, ya que la resistencia al corte de los sujetadores puede superarse mediante la concentración de tensiones cuando cambia la sección transversal. Al determinar la resistencia al corte de los sujetadores, algunos diseñadores utilizan el área de tensión de tracción, mientras que otros prefieren secciones de diámetro pequeño. Si el perno en la conexión de corte se tuerce al valor especificado (como se muestra en la Figura 2), la superficie de contacto de la capa de contacto no puede comenzar a deslizarse hasta que exceda la resistencia de fricción exterior. Aumentar la fricción entre las superficies de contacto puede mejorar la integridad general de la conexión. En ocasiones, debido al tamaño de las piezas y los requisitos de diseño, la cantidad de pernos que se deben utilizar puede ser limitada.

Figura 2: Independientemente de si el componente de conexión es de corte simple o doble, la superficie de corte no debe pasar a través de la parte roscada del sujetador.
Además de las cargas de tracción y corte, la tensión de flexión es otra carga que experimentan los pernos, causada por fuerzas externas que no son perpendiculares al eje longitudinal del perno y están ubicadas en las superficies de apoyo y de contacto. En general, cuanto más simple sea la conexión del sujetador, mayor será su integridad y confiabilidad.
2. Fatiga
Actualmente no existe una legislación específica que ordene a los proveedores comprar componentes clave que cumplan con los estándares industriales en las regulaciones relevantes para sujetadores industriales, especialmente sin mencionar la causa principal de falla de los sujetadores: la fatiga. Se estima que los daños por fatiga representan el 85% del número total de fallas de sujetadores.
La fatiga en pernos es la acción continua de cargas de tracción cíclicas, lo que resulta enpernosestar sometido a fuerzas de precarga relativamente pequeñas y cargas de trabajo alternas. Bajo tales condiciones de carga dual durante mucho tiempo, los pernos fallarán cuando su resistencia a la tracción nominal sea menor. La vida a fatiga está determinada por el número y la amplitud de los ciclos de tensión de carga. Algunos conectores comprimidos, como prensas, equipos de estampado y maquinaria de moldeo, también pueden sufrir fracturas por fatiga. Durante el funcionamiento se generan múltiples tensiones compuestas entre la potencia y la precarga. En movimientos de estiramiento repetidos, el número y la amplitud de los cambios de tensión se ven afectados por el grado de fatiga y daño.
Los sujetadores industriales típicos, como los tornillos hexagonales, se alargan constantemente y vuelven a su forma original dentro de un cierto rango de elasticidad. Si se someten a tensiones más allá de lo normal y más allá del rango elástico, sufrirán una deformación permanente hasta que finalmente se rompan. El comportamiento de extenderse y regresar a un estado extendido se llama ciclo. Un tornillo de casquillo hexagonal puede soportar aproximadamente 240-10 ciclos de grados por día (máximo), como se muestra en la Figura 3.

Figura 3 Diagrama de Goodman mejorado

La diagonal de puntos indica el valor promedio de la carga alterna del tornillo con una probabilidad del 90% durante 10 millones de ciclos. La línea diagonal real muestra que cuando la fuerza de preapriete del tornillo alcanza los 100 ksi, la desviación máxima entre la carga dinámica y la tensión promedio es de 12 ksi.
Los sujetadores eventualmente se agrietarán debido a ciclos de tensión repetidos de pico a pico. La fractura suele ocurrir en el punto más vulnerable del sujetador, al que los ingenieros denominan "área de máxima concentración de tensión". Una vez que se producen microfisuras en el punto de concentración de tensión y continúan sometidas a tensión, las grietas se propagarán rápidamente, provocando daños por fatiga al sujetador. Las empresas que fabrican sujetadores para uso industrial exploran constantemente nuevos procesos de moldeo y diseñan y desarrollan nuevos métodos de fabricación que puedan superar las fatales debilidades antes mencionadas.
Las ubicaciones más comunes de falla por fatiga incluyen la unión (es decir, la primera rosca cargada), el filete de raíz, la rosca y la terminación de la rosca. Debido a la mejora de la resistencia a la fatiga mediante el desarrollo de mejores materiales y métodos de producción en la industria manufacturera, las roscas se han convertido en el punto más débil de los sujetadores y actualmente en la mayor proporción de daños causados ​​por fallas por fatiga.
La interrelación entre las variables de tensión en el diseño y las características de desempeño de los sujetadores hace que establecer estándares de resistencia a la fatiga sea una tarea difícil. Actualmente, es un proceso complejo determinar el número de "ciclos para fracturarse" y medir la resistencia relativa de una serie de sujetadores.
3. Corrosión
Otra razón para la fractura de pernos es la corrosión. La corrosión tiene muchas formas, incluida la corrosión ordinaria, la corrosión química, la corrosión electrolítica y la corrosión por tensión. La corrosión electrolítica se refiere a la exposición de los sujetadores a diversos agentes húmedos, como el agua de lluvia o la niebla ácida, que son electrolitos que pueden causar corrosión química de los sujetadores; En segundo lugar, debido a los diferentes materiales de los sujetadores, sus potenciales electrolíticos son diferentes y la diferencia de potencial puede generar fácilmente "microbaterías". Los diseñadores deben elegir materiales con potenciales electrolíticos similares tanto como sea posible en función de la compatibilidad de los metales, eliminando al mismo tiempo las condiciones para la generación de electrolitos para evitar el agrietamiento causado por la corrosión electrolítica.
La corrosión por tensión es relativamente limitada. La corrosión por tensión existe bajo cargas de tracción elevadas y afecta principalmente a los sujetadores fabricados con acero aleado de alta resistencia. Los sujetadores hechos de acero aleado (especialmente acero con una composición de alta aleación) son propensos a agrietarse bajo tensión. Al principio, normalmente se forman grietas y picaduras en la superficie, y luego se produce una mayor corrosión, lo que favorece la propagación de las grietas. La velocidad de propagación de las grietas está determinada por la tensión sobre el perno y la tenacidad a la fractura del material. Cuando el material restante funciona hasta el punto en que no puede soportar la tensión aplicada, se produce la fractura.
4. Fragilización por hidrógeno
Los sujetadores de acero de alta resistencia (generalmente con una dureza Rockwell de C36 o superior) son más propensos a la fragilización por hidrógeno. La fragilización por hidrógeno es la principal causa de fractura de sujetadores. La fragilización por hidrógeno es un fenómeno en el que los átomos de hidrógeno entran y se difunden por toda la matriz del material. Cuando los átomos de hidrógeno ingresan a la matriz del material, la matriz sufre una distorsión reticular, lo que altera el estado de equilibrio original y facilita que se rompa bajo fuerzas externas. Cuando se aplica una carga externa altornillo,Los átomos de hidrógeno migran a la zona de tensión altamente concentrada, provocando una tensión significativa entre los bordes de los límites del cristal, lo que conduce a la fractura entre las partículas de cristal del sujetador.
Cuando los sujetadores contienen hidrógeno crítico antes de la instalación, generalmente se rompen dentro de las 24 horas. Si entra hidrógeno en el sujetador, es imposible predecir cuándo se romperá. Por lo tanto, al utilizar sujetadores relevantes, los diseñadores deben especificar la selección de proveedores con procesos especializados y una mínima fragilidad potencial por hidrógeno.
5. Otros factores
La fractura de la conexión no siempre está directamente relacionada con una fractura catastrófica del sujetador. Muchos factores relacionados con los sujetadores, como la pérdida de precarga o la fatiga de las conexiones de los sujetadores, pueden causar desgaste; El desplazamiento central de los sujetadores puede generar ruido y fugas durante el uso, lo que requiere un mantenimiento no planificado para evitar roturas. Por ejemplo, la vibración puede reducir la resistencia a la fricción de las roscas y las conexiones de los sujetadores pueden relajarse debido a la aplicación de cargas de trabajo después de la instalación. Estos factores, junto con el deslizamiento de los pernos a alta temperatura, pueden provocar la pérdida de fuerza de precarga. A veces, la fractura de la conexión puede atribuirse a que el orificio que pasa es demasiado grande o demasiado pequeño, el área de apoyo demasiado pequeña, el material demasiado blando o la carga demasiado alta. Cualquiera de estas situaciones no causará la fractura directa del perno, pero resultará en la pérdida de la integridad de la conexión o eventualmente en la fractura del perno.