Tecnología de Materiales Informe de Análisis de falla de un Perno
Objetivo: Determinar las causas que produjeron la falla de un perno en una junta doble
INTRODUCCIÓN Los tornillos son elementos que tienen filetes enrollados en forma de hélice sobre una superficie cilíndrica y son unos de los elementos más utilizados en las máquinas. Podemos clasificar los tornillos, de acuerdo con la función que cumplen, en tornillos de unión y tornillos de potencia. Los tornillos de unión son los que sirven para unir o asegurar dos o más partes estructurales o de maquinaria, como es el caso de los tornillos, pernos, espárragos y tornillos prisioneros o de fijación. Los tornillos de potencia son aquellos destinados a la transmisión de potencia y movimiento; generalmente convierten un movimiento de giro en un movimiento de traslación. Los tornillos se usan en estructuras, máquinas herramientas, vehículos, prensas y elementos de elevación, entre otros. En muchos casos, los tornillos están sometidos a cargas variables combinadas, por lo que debe aplicarse una teoría de falla por fatiga. Un tornillo puede fallar en el núcleo o en los filetes; se debe tener en cuenta el diámetro del tornillo, así como el número de filetes en contacto con la tuerca.
Códigos y Normas utilizados en el análisis de falla AISI: Normas de composición de aceros ASTM: Normas para materiales y su manufactura API: Normas para la industria del petróleo que son usadas por muchas otras industrias ASME: Responsable de los códigos para recipientes a presión NACE: Códigos para materiales expuestos a ambientes corrosivos. SAE: Normas para la industria automotriz usadas por muchas otras industrias. UNS: Clasificación de metales y aleaciones metálicas
Causas por las que puede fallar un perno Fatiga del metal La fatiga del metal es el fenómeno que se caracteriza por crecimiento de la grieta progresiva durante la carga cíclica. Una grieta se inicia a menudo en un elevador falla o el estrés (muesca aguda) en una parte. Fuerzas cíclicas tales como vibraciones o impactos repetidos causan la grieta a aumentar de tamaño hasta que la pieza ya no puede sostener la carga, y se produce una fractura final.. Las flechas indican los sitios de iniciación de la grieta por fatiga. Las pequeñas líneas o estrías en la superficie del metal muestran el avance de la grieta desde el exterior hacia el interior del tornillo. La zona de baches gris en el centro del perno es la zona de fractura de final, donde se redujo el perno de la sección transversal y el tornillo no podía llevar la carga.
FALTA DE TORQUE INADECUADO Cuando se utilizan piezas roscadas, la cantidad de par de apriete o tornillo es a menudo importante. Pernos de la rueda del vehículo de motor requieren torques que van desde unos 100 pies-libras de vehículos más pequeños a más de 400 libras-pie de grandes camiones. El par adecuado se requiere con el fin de prevenir la flexión relativa de las dos partes están sujetos y para asegurar una conexión mecánica aceptable. Este tornillo no
como resultado de la torsión insuficiente. La figura 4 muestra una parte de los estudios que se estaba dando en la llanta de la rueda causando un severo desgaste de la rosca, otro indicador de par de apriete es insuficiente.
Figura 4
FALTA DE DISEÑO INADECUADO En general se considera un mal diseño para permitir la corte significativo alterna o las fuerzas de flexión en las cercanías de la sección roscada del tornillo ya que los hilos forman un elevador estrés y tienden a iniciar grietas de fatiga, como ocurrió en este caso. Un mejor diseño sería utilizar un perno con una sección más corta hilos para que el material vástago sin rosca se encuentra en la zona de corte del soporte. Esto elimina la tensión vertical de la sección roscada y aumenta el diámetro del pe rno eficaz.
Desgaste de las roscas resultado del movimiento del perno debido a la insuficiente fuerza de sujeción entre las bridas
Fallo por corrosión Corrosión de los metales puede ser desastroso para uniones roscadas. Los ataques de la superficie y la corrosión por picadura roscar como resultado de contacto con la humedad u otros medios corrosivos. Puesto que los tornillos suelen llevar grandes cargas, corrosión bajo tensión (también llamado agrietamiento ambiental asistida) es otro modo de fallo
relacionado con la corrosión. La corrosión, junto con las fuerzas en un perno, tiende a acelerar la formación de grietas. Tales fallas son normalmente descubiertos durante las inspecciones periódicas, un procedimiento típico de mantenimiento de vehículos de gran tamaño.
Antecedentes La falla ocurrió en el perno se sujeción entre una junta doble por una excesiva carga aplicada a la junta La resistencia y tipo de acero del perno están marcados en alto relieve en la cabeza de los pernos. Los pernos de la serie imperial (pulgadas) usados en mecánica están fabricados según la SAE, norma J429; mientras que los pernos usados en estructuras están fabricados según las normas de la ASTM.
Junta doble unida por un tornillo
Características del perno
Material: Acero inoxidable Dimensiones: 3/16 x 3/4 Diseño: Los pernos fueron diseñados con roscas bastas estas se designan como UNC (Unificada Nacional Ordinaria). Estas roscas son de paso grande y se usan en aplicaciones ordinarias, en las cuales se requiera un montaje y desmontaje fácil o frecuente. También se usan en roscas de materiales blandos y frágiles, ya que en las roscas de menores pasos (y filetes más pequeños) podría producirse el barrido (cortadura) de los filetes. Estas roscas no son adecuadas cuando exista vibración considerable, ya que la vibración tiende a aflojar fácilmente la tuerca
PROCEDIMIENTO INVESTIGATIVO: Identificación del problema:
Se observa una fractura con una dirección muy uniforme pero con 2 zonas diferente
El esfuerzo aplicado al perno fue mayor que el que estaba diseñado a soportar
Determinación de la causa o raíz Según las observaciones se puede determinar que el perno fue sometido a una sobrecarga excesiva, a además esa carga las juntas lo convirtieron en esfuerzo cortante lo que explicaría el porqué está fracturado en línea recta.
Empleo de acciones correctivas
Una de las acciones correctivas es instalar adecuadamente los pernos ya que si un perno esta flojo o muy ajustado esto repercute en su funcionamiento
Aunque los pernos son de acero inoxidable es necesario revisarlos ya que sufren un desgaste por el producto de las vibraciones
Validación de acciones correctivas
Para el funcionamiento adecuado de los pernos se deben seleccionar un diámetro adecuado, para el uso correspondiente
Ensayo Visual Es este ensayo se puede observar una 2 zonas en el perno fracturado, la primera una zona rugosa que es en donde se inicia la falla, y la segunda una zona más liza donde es el punto en que el perno se rompe en su totalidad
Primera parte zona rugosa
Segunda parte zona lisa
También se observa que la falla se produce en línea recta con esto se puede concluir que la falla se produjo por medio de un esfuerzo cortante
Falla en línea recta en el perno
Falla en línea recta en el perno
Se puede observar que el tipo de roscas utilizadas no afectan a la falla
La falla se produce a lo largo de las roscas
Dureza Se realizo un ensayo de dureza en la escala rocwell B y se determino que posee una dureza de 96 HRB la cual es un valor aceptable dentro del rango de aceros inoxidables
Perno
Ensayo de dureza realizado al perno, escala rocwell B, esfera de 1/16
Datos obtenidos en el ensayo 96 HRB
Ensayos de Tracción y flexión Se realizo un ensayo colocando los pernos e una junta doble i sometiendo la junta a tracción en donde la carga máxima que soportaron los pernos fue de 2330 kg Pernos
Tracción a las juntas
Mientras que los mismos pernos colocados en las mismas juntas a flexión solamente soportaron 480 De este ensayo se puede deducir que existe una mayor probabilidad de que los pernos hayan fallado por flexión que por tracción Pernos
Flexión a las juntas
Macrografía
Fotografía de un perno fracturado
Fractura en el perno En la macrografía se puede determinar que debido a la estructura de la falla esta se trata de una fractura frágil
Se puede ver que se produce un corte sin deformación
DIAGRAMA DE PESCADO
CONCLUSIONES Debido a como se encuentra la fractura se puede determinar que el perno fallo por un esfuerzo cortante Ya que el perno presenta una falla sin deformación se puede concluir que se trata de una fractura frágil Debido a que se trata de una fractura frágil el perno no altera su microestructura En este caso la corrosión no influyo en el proceso de fractura No se puede decir que se trato de una fractura por fatiga ya que se aplico una sola carga directamente en la cual no hubo variaciones
BIBLIOGRAFÍA: http://www.pernostapia.com/productos.html http://www.utp.edu.co/~lvanegas/disI/Cap8.pdf http://www.slideshare.net/74245326/6-analisisdefallav61 http://www.vendo.com.pe/Accesorios/Caracteristicas%20de%20los%20pernos%20imperi ales.htm http://www.frbb.utn.edu.ar/carreras/materias/elementosdemaquinas/Slides04-01.pdf http://www.cigre.org.mx/uploads/media/Analisis_Causa_Raiz_Gen_Eolico_Francisco_Vita l-parte1.pdf http://www.edicionsupc.es/ftppublic/pdfmostra/EM03606M.pdf http://www.croberts.com/bolt.htm
