Comprensión de la fractura del tornillo: mecanismos y factores

Los tornillos son un sujetador de uso común. Si un tornillo se rompe aunque sea ligeramente, será necesario desconectarlo para realizarle mantenimiento. Sin embargo, si se estropea mucho, puede causar daños a las máquinas e incluso provocar la muerte de personas.

El simple hecho de reemplazar un tornillo roto no elimina por completo el riesgo de que se rompa más. Por ello, es fundamental analizar los factores que contribuyen a la rotura de los tornillos y mejorarlos.

Desde una perspectiva individual, los factores que provocan fracturas de tornillos pueden variar ampliamente. Sin embargo, al examinar una gran cantidad de muestras de fracturas de tornillos, se pueden identificar algunas características comunes.

1. Características de fase y análisis de correlación de los factores que influyen en la fractura del tornillo.

El ciclo de vida de los tornillos se puede dividir en cuatro etapas: diseño, fabricación, uso y mantenimiento, siendo el fallo un posible resultado. Las grietas de interrupción son el tipo de falla más dañina.

Para prevenir la falla de la fractura del tornillo, es esencial comprender el conjunto completo y el subconjunto de factores que influyen en la fractura del tornillo en las diferentes etapas de su ciclo de vida.

La Tabla 1 y la Tabla 2 se obtienen tras el análisis estadístico de los factores que influyen en la fractura de 227 tornillos.

Tabla 1 Análisis estadístico de los factores que afectan la fractura en muestras de fractura de tornillo por etapas

Total 227
Desglose del factor de una sola etapa Fabricación 81
Proyecto 34
Ciencia de los Materiales 14
Usar 14
La combinación de factores de dos etapas provoca roturas. Diseño + Fabricación 27
Fabricación + Materiales 17
Fabricación+uso 14
Diseño + uso 7
Diseño+Materiales 1
Uso+Material 1
Roto por la combinación de 3 etapas + factores materiales. Diseño+Fabricación+Uso 7
Diseño+Material+Fabricación dos
Material+Fabricación+Uso 7
3 pasos + materiales 1

Tabla 2 Análisis de correlación de la fractura de tornillo en tres etapas y los materiales en muestras de fractura de tornillo

Clasificación de correlación Proporción/%
Relacionados con la fabricación independiente 81
combinación 75
Total 156 68,7
Relacionado con el diseño independiente 34
combinación 45
Total 79 34,8
Relacionado con el material independiente 14
combinación 29
subterraneo 43 18.9
Relacionado con el uso independiente 14
combinación 37
Total 51 22,5

La fractura del tornillo puede ser causada por un solo factor o por una combinación de múltiples factores.

La Tabla 2 muestra que el 77,5% de las muestras de fracturas de tornillos son causadas por factores previos al uso, mientras que el 68,7% de las fracturas de tornillos están relacionadas con la fabricación.

2. Factores y mecanismos que afectan la fractura en las diferentes etapas de la vida del tornillo.

Hay varios factores que pueden afectar la vida útil de los tornillos, incluida su susceptibilidad a fracturarse.

Sin embargo, debido a limitaciones de espacio, sólo realizaremos un análisis preliminar de los mecanismos que tienen una alta frecuencia de influencia.

2.1 Factores y mecanismos que afectan la fractura del tornillo en la fase de diseño

Según la Tabla 3, los principales factores responsables de la fractura de los pernos durante la fase de diseño son la selección inadecuada del material, las fuerzas externas que actúan sobre los pernos, el diseño de la estructura de los pernos, el diámetro pequeño y la diferencia de temperatura causada por el uso de diferentes materiales. Estos cinco factores por sí solos dan cuenta de 85 casos, lo que equivale al 82,5% del total de 103 casos observados en la fase de diseño.

2.1.1 Efecto de la selección inadecuada del material sobre la fractura del tornillo

La selección de materiales es un aspecto crucial del diseño de tornillos. La Tabla 4 muestra los componentes afectados por la selección inadecuada de materiales en muestras de fractura de tornillos.

La corrosión ambiental y por tensiones, la resistencia insuficiente o excesiva de los materiales y los procesos de tratamiento térmico inadecuados fueron la causa de 47 de los 58 incidentes, lo que representa el 81,0% de los casos.

Tabla 3 Clasificación y frecuencia de los factores que afectan la fractura del tornillo en la fase de diseño en muestras de fractura de tornillo

Artículos afectados 103
Selección inadecuada de materiales. 42
Influencia externa: vibración y rigidez insuficiente de los conectores. 17
Diseño de estructura de tornillo 14
Diámetro pequeño 7
Carga de diferencia de temperatura causada por diferentes materiales. 5
Número y disposición de tornillos.
Antipérdida 3
Longitud y método de conexión. 3
Requisitos de diseño inadecuados 3
otro 5

(1) Impacto del medio ambiente y el agrietamiento por corrosión bajo tensión en la fractura del perno

La corrosión por tensión es un fenómeno de falla que ocurre en los materiales cuando se someten a una combinación de tensión estática (especialmente tensión de tracción) y corrosión.

Cuando un tornillo se expone a tensiones y a un entorno corrosivo, la película de óxido superficial del tornillo puede dañarse debido a la corrosión. La superficie dañada se convierte en ánodo y la superficie no dañada se convierte en cátodo.

Como resultado, la densidad de corriente del ánodo aumenta drásticamente, provocando corrosión adicional de la superficie dañada. Bajo la influencia de la tensión de tracción, aparecen gradualmente grietas en la zona dañada, que se expanden gradualmente hasta que el tornillo se rompe.

Para evitar la corrosión por tensión, es importante elegir materiales con una fuerte resistencia a la misma. Por ejemplo, en ambientes que contienen agua a alta temperatura con sulfuros, se recomienda utilizar acero inoxidable austenítico al cromo-níquel con bajo contenido de manganeso.

Además, el diseño de la estructura del perno debe optimizarse para reducir la concentración de tensiones.

Mejorar el entorno de corrosión también puede ayudar a prevenir el agrietamiento por corrosión bajo tensión. Esto se puede hacer agregando inhibidores de corrosión al medio corrosivo o usando una capa protectora metálica o no metálica para aislar el medio corrosivo.

(2) La influencia del mal rendimiento del material del tornillo en la fractura del tornillo.

El desempeño del material cubre múltiples indicadores y el desempeño deficiente ocurre cuando el material del perno seleccionado es incompatible con el entorno de servicio. El uso de materiales más allá de su capacidad de ingeniería puede provocar la fractura del tornillo.

Por ejemplo, el perno de acoplamiento de una unidad de 200 MW se fracturó debido al uso original de acero 35 que no estaba templado ni revenido y tenía una estructura gruesa de widmanstatten o de bandas. Al analizar el perno roto se concluyó que el acero 35 no era el adecuado para fabricar el perno de acoplamiento. En su lugar, se utilizó acero 40CrNiMo para mejorar las propiedades mecánicas integrales del material del tornillo.

Sin embargo, es fundamental garantizar que la dureza de los tornillos y los materiales del acoplamiento coincidan cuando se utiliza acero 40CrNiMo. Al examinar el tornillo roto, se encontró que el desgaste por fricción del tornillo con una dureza de (260 ~ 280) HB causó daños en el orificio del tornillo. Por lo tanto, el uso de acero 40CrNiMo para mejorar la dureza del tornillo y lograr una alta resistencia a la fatiga puede tener consecuencias adversas.

En consecuencia, es necesario realizar una prueba integral de propiedades mecánicas para obtener una baja sensibilidad a la entalla, la dureza correspondiente y la resistencia a la fatiga por flexión del tornillo antes de pasar a su uso.

(3) Impacto de una fuerza excesiva o insuficiente en la fractura del tornillo

Es fácil entender que una resistencia insuficiente puede provocar fracturas de tornillos, pero es fácil ignorar la relación entre una resistencia excesiva y la fractura de tornillos.

Los tornillos de alta resistencia no sólo aumentan la sensibilidad a las concentraciones de tensión en las entalladuras, sino que también exhiben una mayor susceptibilidad a la fragilización por hidrógeno.

El craqueo inducido por hidrógeno ocurre típicamente cuando el contenido de hidrógeno en el acero excede las 5 partes por millón (ppm). Sin embargo, con el acero de alta resistencia, los átomos de hidrógeno en los agujeros de la red se concentrarán en los sitios de concentración de tensiones generados por las muescas mediante difusión, incluso cuando el contenido de hidrógeno en el acero sea inferior a 1 ppm.

Estos átomos de hidrógeno interactúan con las dislocaciones, lo que hace que las líneas de dislocación se atasquen y no puedan moverse libremente, lo que hace que el cuerpo se vuelva quebradizo.

2.1.2 Los factores externos afectan la fractura del tornillo.

(1) Efecto de la vibración sobre la fractura del tornillo

La respuesta de vibración del tornillo de conexión está influenciada principalmente por dos factores: las características modales del tornillo de conexión y la excitación vibratoria transmitida al tornillo por la pieza de conexión.

Después de que se rompió el tornillo de conexión entre una transmisión y una toma de fuerza, se realizó una prueba modal en el tornillo largo. Los resultados mostraron que, bajo la condición de par de sujeción de 45 N·m, la frecuencia natural del primer modo de flexión fue de 1155 Hz y la relación de amortiguación modal fue de 0,67.

Durante la prueba de respuesta a la vibración de la toma de fuerza de la transmisión en condiciones de funcionamiento del motor, se observó que cuando el sistema de transmisión estaba en funcionamiento, el tornillo largo era excitado por una vibración significativa con una frecuencia de vibración principal de 1000 a 1500 Hz. La primera La frecuencia de flexión del tornillo largo estaba dentro de este rango de frecuencia y la tasa de amortiguación era muy baja.

Esto provocó un efecto de amplificación de resonancia, lo que resultó en una respuesta de resonancia de flexión significativa del tornillo y una tensión de flexión dinámica alta en la conexión roscada. Como resultado, el perno de conexión se rompió prematuramente.

(2) Impacto de la rigidez insuficiente de las piezas conectadas

Una rigidez insuficiente en las piezas conectadas no sólo genera vibraciones, sino que también provoca tensiones desiguales en los tornillos.

Los pernos de anclaje de un motor diésel marino se rompían con bastante frecuencia. Los resultados del análisis revelaron que el motor principal presentaba grandes vibraciones, principalmente verticales provocadas por la débil rigidez de la base – sentina.

Después de soldar firmemente el bloque de posicionamiento de cuña del soporte de posicionamiento del anfitrión, el perno de anclaje ya no se rompió a medida que se reforzó su rigidez.

Ambos extremos de la placa de acero de la carcasa del tambor de un polipasto están conectados a la placa de brida con pernos M22. Sin embargo, no hay ningún anillo de soporte de refuerzo o anillo de carcasa circunferencial dentro del tambor, lo que crea una viga simplemente apoyada a lo largo del eje.

Como resultado, la rigidez es deficiente y, en condiciones de trabajo, el centro del casco del tambor sufre la mayor deformación, lo que somete al perno de conexión M18 a una fuerza máxima y provoca que se rompa. Mientras tanto, los pernos de conexión cerca de la placa de brida en ambos extremos del tambor no se rompieron.

2.1.3 Efecto de la estructura del orificio del tornillo sobre la fractura del tornillo

El principal factor que contribuye a la fractura de pernos en los marcos y orificios de los pernos es una pequeña rosca de transición. Esto incluye la rosca de transición en la raíz de la rosca, el tornillo y la cabeza del tornillo y el avellanado. Un pequeño filete de transición no sólo genera concentración de tensiones, sino que también conduce a la generación de grandes tensiones internas durante el tratamiento térmico, lo que resulta en la aparición de microfisuras o tendencias a agrietarse que reducen la capacidad de carga del perno.

La combinación de cargas externas y tensiones internas hace que el perno soporte una carga que excede su límite, provocando su rotura.

Por ejemplo, a causa de este fenómeno se rompió el tornillo del cojinete principal de un motor diésel de locomotora DF 7B.

Después de la modificación, se eliminó el orificio del tornillo central, lo que resultó en un aumento del 45% en el área de soporte de la cabeza del tornillo de soporte principal y una mejora sustancial en la resistencia de la parte roscada.

Además, la eliminación del orificio interior del tornillo eliminó la concentración de tensión provocada por la estructura de rosca del orificio interior, lo que dio como resultado un aumento de la resistencia a la fatiga del tornillo.

2.2 Factores y mecanismos que afectan la fractura del tornillo en la fase de fabricación

La calidad del tratamiento térmico, el mecanizado, el tamaño del filete de transición del procesamiento, el ajuste y el ensamblaje, y el proceso de formación del tornillo son los principales factores que afectan el riesgo de fractura del tornillo durante la fase de fabricación.

Hay 141 factores, que representan el 89,2% de 158. Ver Tabla 5 y Tabla 6.

Tabla 5 Clasificación y elementos de los factores que afectan la fractura del tornillo en la etapa de fabricación

Artículo 158
Calidad del tratamiento térmico 71
Calidad de mecanizado 40
El filete es muy pequeño. 11
Calidad de ajuste y montaje. 10
Sin defectos integrales en el proceso de forjado o conformado. 9
Defecto en la superficie de la raíz del diente del tornillo. dos
Fractura y corrosión del revestimiento. 1
otro 14

Tabla 6 Clasificación y elementos de los factores que afectan la fractura del tornillo debido al tratamiento térmico

Artículo 87
Diseño de procesos de tratamiento térmico y calidad de procesos. 33
fragilización por hidrógeno 14
Descarburación y sobrequemado parcial. 11
displasia 8
Alta dureza y baja plasticidad. 6
Carburación superficial o central 5
Calidad de enfriamiento e inteligencia de pretratamiento 5
Tratamiento térmico y solución de conflictos de materiales cuerda de cuero. 1
otros 4

2.2.1 Efecto del tratamiento térmico sobre la fractura del tornillo.

Los principales factores responsables de la fractura del tornillo son el diseño y la calidad del proceso de tratamiento térmico, la fragilización por hidrógeno, la descarburación, la quema excesiva local, la mala estructura, la alta dureza y la baja plasticidad. Estos factores en conjunto representan el 82,8% de los 87 casos estudiados.

(1) Efecto del diseño del proceso de tratamiento térmico y la calidad del proceso sobre la fractura del tornillo

Se presenta un ejemplo para demostrar el impacto de procesos de tratamiento térmico inadecuados en la fractura de tornillos. Cuando se utiliza acero 42CrMo templado y revenido hipoeutectoide como material de tornillo y el tamaño de la sección es grande (por ejemplo, ≥ 500 mm), lograr una tasa de rendimiento de 0,9 con el tratamiento tradicional de enfriamiento y revenido se convierte en un desafío.

Para lograr el objetivo, es necesario reducir la temperatura de revenido, es decir, utilizar revenido a temperatura media o revenido a temperatura más baja. Sin embargo, esto daría como resultado una menor tenacidad, una mayor resistencia y la estructura metalográfica contendría defectos (el segundo tipo de fragilidad por temple).

Los resultados de las pruebas de un lote de tornillos son los siguientes: alta resistencia (σb>1200 MPa), alta dureza (HBS>400) y la estructura metalográfica es troostita templada, lo que respalda plenamente esta observación.

Estudios realizados a nivel nacional e internacional indican que cuanto mayor es la resistencia del acero, más propenso es a agrietarse. Por lo tanto, si la tenacidad es insuficiente cuando σb > 1200 MPa, puede ocurrir fácilmente una fractura frágil por baja tensión.

(2) Efecto de la fragilización por hidrógeno sobre la fractura del tornillo

Los tornillos utilizados en ambientes corrosivos y que requieren alta resistencia a menudo necesitan tratamiento anticorrosión.

Sin embargo, algunos procesos anticorrosivos, como el cromado, pueden provocar fragilidad por hidrógeno.

Las investigaciones han demostrado que cuanto mayor es la resistencia del material, más sensible es a la fragilización por hidrógeno y más rápido se forman las grietas.

En las microestructuras de acero, la susceptibilidad a la fragilización por hidrógeno generalmente sigue este orden de mayor a menor: martensita, bainita superior, bainita inferior, sorbita, perlita y austenita. La alta resistencia depende de la estructura metalográfica correspondiente.

La fragilización por hidrógeno puede deberse al hidrógeno interno o externo. El hidrógeno interno se genera durante la fabricación, mientras que el hidrógeno externo penetra durante el uso.

Generalmente, el hidrógeno interno hará que el perno se agriete o se rompa antes o después de su uso, mientras que el hidrógeno externo requiere un proceso de acumulación para alcanzar el nivel de daño que provocará la fractura del perno.

Por lo tanto, el tornillo tarda un tiempo en romperse.

Para prevenir las fracturas por fragilidad por hidrógeno causadas por la galvanoplastia, se recomienda utilizar recubrimientos libres de fragilización por hidrógeno, como los recubrimientos de zinc y cromo que se usan comúnmente en industrias como la automotriz y la aeroespacial.

2.2.2 Efecto de la calidad del mecanizado sobre la fractura del tornillo

Durante el proceso de fabricación de tornillos, se pueden formar defectos como arrugas, pliegues y microfisuras debido a un procesamiento inadecuado. Estos defectos a menudo provocan un mayor agrietamiento o expansión de las roscas de los tornillos durante el laminado, el conformado o el tratamiento térmico. En particular, tales defectos tienden a concentrarse en la raíz de las roscas de los tornillos.

Bajo tensión o carga cíclica, las microfisuras en la raíz de las roscas de los pernos son susceptibles a la concentración de tensiones, lo que puede desencadenar fuentes de fatiga y causar fracturas por fatiga de múltiples fuentes.

En una unidad de turbina de gas de 350 MW, se observó una raya de mecanizado en la superficie de fractura del perno del calentador. Esta tira estaba situada en la unión del tornillo y la cabeza del tornillo. Además, se encontró un gran hoyo de corrosión en la tira, lo que indica una corrosión obvia en la grieta antes de que se rompiera el perno.

Inspecciones de apariencia adicionales revelaron que la superficie del vástago pulido del perno era rugosa. Esto no sólo se convirtió en la fuente de concentración de tensiones, sino que también proporcionó las condiciones para la corrosión por grietas y la corrosión por tensiones.

2.3 Análisis de factores materiales y frecuencia que afectan la fractura del tornillo.

La Tabla 7 muestra los factores que influyen y los elementos relacionados con el material que contribuyen a la fractura del tornillo en la muestra de tornillos rotos. Incluye 39 ítems relacionados con inclusiones, calidad de materiales, defectos metalúrgicos y contenido excesivo de elementos químicos, que representan el 86,7% del total de 45 ítems.

Tabla 7 Factores y elementos que afectan la fractura del tornillo por materiales

Artículo 45
Inclusión dieciséis
Calidad de materiales 10
defecto metalúrgico 7
Elementos químicos de los materiales. 6
Segregación 4
microfisura dos

(1) Influencia de las inclusiones en la fractura del tornillo.

Cuando el magnesio y el calcio de inclusiones extrañas, así como el azufre, el manganeso, el cromo y otros elementos del material, se segregan hacia el límite del grano, pueden provocar la fragilización del límite del grano. Esta fragilización puede ocurrir en áreas locales, dando lugar a posibles grietas.

Además, si el tamaño de las inclusiones en los pernos es excesivamente grande, especialmente cerca de la capa superficial, puede acelerar la iniciación y propagación de grietas por fatiga en los pernos.

La distribución en bandas de las inclusiones de MnS en el acero también puede aumentar su susceptibilidad al agrietamiento inducido por hidrógeno.

(2) Efecto de las propiedades del material suministrado sobre la fractura del tornillo.

En determinados entornos de servicio, no basta con centrarse únicamente en la resistencia y dureza de los materiales de los tornillos. Se debe prestar una consideración exhaustiva a factores como la plasticidad, la resistencia al impacto, la resistencia a la corrosión, la sensibilidad a las muescas y la diferencia de rendimiento entre la temperatura ambiente y la temperatura de trabajo.

La no conformidad con el desempeño del material se refiere a una situación en la que el material suministrado no cumple con los requisitos del proyecto.

Después de que se rompieran los pernos del calentador de gas de una unidad de turbina de gas, se descubrió mediante análisis metalográfico y de composición química que los pernos rotos no estaban hechos del acero inoxidable tipo 304 especificado en el diseño. En cambio, se fundieron después de que se fundieran nuevamente varios materiales diferentes de acero inoxidable y su resistencia a la corrosión era inadecuada, lo que provocó corrosión galvánica entre los tornillos y la placa ciega debido a los diferentes potenciales de los electrodos al principio.

Aunque los pernos rotos en la brida de la válvula reguladora de presión intermedia de un generador de turbina de vapor pasaron las verificaciones sobre el terreno de resistencia mecánica y resistencia al impacto a temperatura ambiente, ninguno de ellos logró calificar la prueba a la temperatura de funcionamiento de 540 ℃.

(3) Influencia de los defectos metalúrgicos de los materiales en la fractura del tornillo.

La presencia de espacios, burbujas, inclusiones de escoria y grietas internas en los materiales de los pernos disminuye significativamente la tensión real permitida de los materiales.

El análisis macro y micro de la superficie de fractura de tornillos de alta resistencia muestra que después del inicio de la fractura en el origen de la grieta, el proceso se expande de manera rápida e inestable hasta que se rompe. Esto se debe a que el material contiene numerosos microdefectos, como microfisuras y microporos, que reducen la tensión admisible real y también son un requisito previo para el crecimiento rápido e inestable de las grietas.

La formación de estas microfisuras está relacionada con una desgasificación y escoriación incompleta durante la fundición, así como con una eliminación incompleta durante la forja posterior.

2.4 Análisis de los factores de servicio y frecuencia que afectan la fractura del perno.

Los principales factores que contribuyen a la fractura del tornillo durante el uso incluyen la fuerza de preapriete, la fuerza de apriete desigual, los métodos de apriete inadecuados, los problemas de instalación y otros problemas relacionados.

De los 92 sucesos registrados, estos tres problemas fueron responsables de 69 sucesos, correspondientes al 75,0% de los casos, como se muestra en la Tabla 8.

(1) Efecto de la fuerza de preapriete sobre la fractura del tornillo

La estructura de sellado de una conexión de abrazadera es inaccesible debido a condiciones de alta temperatura y alta presión.

Para apretar el tornillo de fijación, el operador utiliza una llave especial de aproximadamente 1 metro de largo hasta que ya no se pueda apretar. Sin embargo, esto hace que la precarga del perno exceda la tensión permitida del perno.

Cuando aumenta la presión de la tubería, la tensión del perno aumenta aún más, lo que hace que el perno se rompa en poco tiempo.

En el caso de un grupo de pernos de biela, si un perno no tiene suficiente precarga, se formará un gran espacio entre el muñón de la biela y el casquillo del cojinete.

Bajo el funcionamiento del cigüeñal a alta velocidad, el perno soportará grandes cargas de impacto y momentos de flexión alternos, lo que provocará fatiga y fracturas. Luego, la carga debe transferirse a otro perno, que también se sobrecargará y se romperá.

(2) Fuerza de sujeción desigual y método de sujeción inadecuado

Durante el mantenimiento del compresor, el personal de mantenimiento no utilizó una llave dinamométrica para aplicar la fuerza de preapriete diseñada a los pernos. En cambio, utilizaron una llave inglesa sólida y un mazo para aplicar fuerza, confiando únicamente en su experiencia para estimar la cantidad correcta de presión.

Como resultado, la fuerza de preapriete aplicada a los tornillos fue inconsistente. Los pernos ubicados en áreas convenientes para martillar recibieron una mayor fuerza de preapriete, mientras que aquellos en áreas menos accesibles recibieron menos fuerza.

Luego de analizar la distribución de fracturas de los pernos de la cabeza del compresor, se encontró que la mayoría de los pernos ubicados en el lugar conveniente para el martillado se habían roto, lo que concuerda con los resultados analíticos.

3. Conclusión

(1) Los objetivos de calidad para el ciclo de vida de los productos mecánicos se basan en lograr la calidad del ciclo de vida de todas las piezas, incluidos los tornillos. Un enfoque innovador consiste en establecer el concepto de calidad del ciclo de vida a nivel de pieza e identificar los factores que influyen en la fractura del tornillo.

(2) La calidad del ciclo de vida de los tornillos está influenciada por varias etapas y factores. El establecimiento de un conjunto de factores que afectan la fractura del tornillo puede ayudar en la planificación general y la selección de estos factores, logrando así los objetivos de calidad del ciclo de vida del tornillo.

(3) Existe la necesidad de mejorar continuamente el conjunto de factores que influyen en la fractura de los tornillos, así como complementar y revisar los materiales y documentos didácticos pertinentes para respaldar la práctica del concepto de calidad del ciclo de vida de los tornillos y productos mecánicos.

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