Fatiga en conexiones de pernos

En las uniones atornilladas existe un tipo de fractura conocida como fractura por fatiga. La fractura por fatiga ocurre principalmente en entornos de vibración cíclica-a largo plazo. Similar a la fragilización por hidrógeno, su fractura es repentina, pero las dos son fundamentalmente diferentes.-la fractura por fatiga es el resultado del daño acumulativo bajo cargas cíclicas a largo plazo-, mientras que la fragilización por hidrógeno es una fractura frágil causada por átomos de hidrógeno. Actualmente, no existe ninguna tecnología para predecir de antemano el momento exacto en el que un perno experimentará una fractura por fatiga. Por lo tanto, se deben tomar medidas preventivas desde las etapas iniciales como el diseño, selección de materiales e instalación.

Cada perno tiene una vida útil. Aunque algunos pernos se pueden reutilizar, no se pueden utilizar indefinidamente. Cuando un perno se encuentra en condiciones de operación que exceden la carga de diseño durante un tiempo prolongado, la probabilidad de fractura por fatiga aumenta significativamente. Estas fracturas no sólo causan graves daños a los equipos de producción, sino que también pueden provocar accidentes de seguridad en casos graves.

Entonces, ¿por qué los pernos experimentan fracturas por fatiga? Una comprensión relativamente consistente en la industria es la siguiente: bajo la acción de cargas cíclicas (como vibración y presión alterna), la tensión tiende a acumularse en las áreas de concentración de tensión del perno (por ejemplo, raíces de rosca y la transición entre la cabeza y el vástago). Si los componentes coincidentes tienen desviaciones dimensionales o eltornillo se instala con una precarga inadecuada (ya sea demasiado apretada o demasiado floja), el desequilibrio de tensiones locales se agravará aún más. Cuando la tensión acumulada excede el límite de fatiga del material y la plasticidad del material es insuficiente para amortiguar este daño, gradualmente se formarán microfisuras dentro del perno. A medida que aumenta el número de ciclos, las grietas continúan propagándose; cuando llegan a un punto crítico, el perno se fracturará repentinamente. Lo que vemos a simple vista como una "fractura repentina" es en realidad el resultado de una acumulación y propagación gradual de grietas a largo plazo. El proceso completo se puede resumir como: la tensión cíclica actúa sobre los puntos de concentración de tensión del perno → desgarra gradualmente la matriz del perno → se forman microfisuras → las grietas se propagan hasta el punto crítico → el perno se fractura repentinamente.

Ésta es una de las razones por las que los pernos deben someterse a pruebas de resistencia a la tracción antes de su uso. Aunque la prueba de tracción lleva poco tiempo, permite realizar una evaluación preliminar de las propiedades mecánicas básicas del perno mediante la observación de la ubicación de la fractura (si la fractura ocurre en áreas de concentración de tensión, como las raíces de las roscas o la transición de la cabeza-vástago, se deben vigilar los riesgos de fatiga) y registrando la fuerza de fractura. Si la fuerza de fractura de los pernos en la prueba es significativamente menor que los estándares de diseño, no se recomienda utilizar este lote de pernos.

Además, los cambios de temperatura ambiental también afectan la vida útil de los pernos. Si el perno se utiliza en un entorno con temperaturas excesivamente altas o bajas, o con frecuentes fluctuaciones alternas de temperatura, acelerará el daño por fatiga del material. Cuando se combina con la erosión del perno por medios corrosivos en el aire (como la humedad y la niebla salina), la probabilidad de fractura por fatiga aumentará aún más.

La mayoría de estos riesgos de fractura están relacionados con la adaptabilidad del material a las condiciones de operación. Podemos reducir la probabilidad de fractura por fatiga optimizando los procesos de producción: cuando las condiciones lo permiten, se puede ajustar la secuencia de procesamiento de los pernos-primero, los espacios en bruto de los pernos se someten a un tratamiento térmico (templado y revenido) y luego se realiza el laminado de roscas (el proceso tradicional en algunos escenarios es el laminado de roscas seguido de un tratamiento térmico. Sin embargo, parapernos de alta-resistencia, el tratamiento térmico antes del laminado del hilo puede reducir la concentración de tensión adicional causada durante el procesamiento del hilo, mejorando así la resistencia a la fatiga). Alternativamente, los pernos totalmente roscados se pueden reemplazar por pernos parcialmente roscados. Después de todo, la sección de vástago liso del perno no tiene estructura roscada, lo que da como resultado una distribución de tensión más uniforme y una resistencia a la fatiga mucho mejor que la sección roscada.