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 perno 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

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

Primera parte zona

rugosa

Segunda parte

zona lisa

Falla en línea recta en el perno

Se puede observar que el tipo de roscas utilizadas no afectan a la falla

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

La falla se produce a lo largo de las

roscas

Falla en línea recta en el 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

Perno

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

Ausencia de voladizo en el uso de la fresa.

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

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http://www.edicionsupc.es/ftppublic/pdfmostra/EM03606M.pdf

http://www.croberts.com/bolt.htm