En la producción industrial y en las aplicaciones de equipos diarios, los pernos sirven como sujetadores de conexión centrales responsables de fijar, conectar y soportar cargas estructurales. Durante el servicio-a largo plazo,pernosse ven afectados por múltiples factores, como las condiciones de carga, el entorno de trabajo, los procesos de fabricación y la calidad del ensamblaje, que pueden conducir fácilmente a una falla por fractura. Esto puede provocar aún más el apagado del equipo, fallas estructurales e incluso accidentes de seguridad graves. Este artículo presenta sistemáticamente las formas de fractura comunes, los mecanismos de formación, las características macroscópicas de la fractura por sobrecarga, las posiciones de fractura de alto-riesgo y los estados de fractura bajo diferentes condiciones de carga de los pernos, brindando soporte técnico para la prevención de fallas de los pernos, el mantenimiento de equipos y la optimización de procesos.

I. Formas comunes de fractura de pernos

1. Fractura por sobrecarga

La fractura por sobrecarga ocurre cuando la carga instantánea aplicada sobre un perno excede la resistencia máxima a la tracción del material, lo que pertenece a la típica fractura estática dúctil o frágil. Este tipo de fractura ocurre repentinamente sin signos obvios previos a la falla. Para materiales dúctiles, la superficie de fractura generalmente presenta una forma de copa-cono o una sección inclinada de 45-grados con superficies rugosas y deformación plástica significativa. Para pernos frágiles de alta resistencia, la superficie de fractura es relativamente plana con una deformación plástica insignificante.

Causas de fractura: Un diseño estructural irrazonable conduce a una selección de pernos de tamaño insuficiente y un margen de carga insuficiente, lo que resulta en una operación de sobrecarga a largo plazo-. Las condiciones de trabajo anormales repentinas, como cargas de impacto y sobrecargas transitorias durante el funcionamiento del equipo, también pueden provocar una carga límite excesiva- instantánea. Por ejemplo, los pernos de conexión de los mecanismos de elevación de las grúas pueden sufrir fracturas por sobrecarga al levantar cargas con sobrepeso.

2. Fractura por fatiga

La fractura por fatiga es la forma de falla más común de los pernos. Bajo cargas cíclicas-a largo plazo, como tensión alterna, compresión, flexión y vibración, las microfisuras por fatiga se inician en las áreas de concentración de tensiones. Las grietas se expanden gradualmente con los ciclos de carga, reduciendo continuamente el área de soporte efectiva y eventualmente conducen a una fractura repentina incluso si la carga de trabajo no excede el valor nominal. La fractura por fatiga ocurre sin deformación plástica obvia. La superficie de la fractura es generalmente lisa con texturas típicas de concha-o de anillo anual-.

Causas de fractura: El movimiento alternativo-a largo plazo y la vibración de alta-frecuencia de los equipos someten a los pernos a tensiones alternas periódicas. Por ejemplo, los pernos de las bielas de los motores de automóviles soportan cargas cíclicas de tensión y compresión debido al movimiento alternativo de alta frecuencia de los pistones y las bielas, lo que resulta en daños por fatiga acumulada y eventual fractura por fatiga.

3. Fractura por corrosión

Cuando los pernos trabajan en ambientes corrosivos, se produce corrosión química o electroquímica en el material base, formando defectos en la superficie como óxido y corrosión por picaduras. Estos defectos reducen el área de soporte efectiva y la resistencia mecánica de los pernos, lo que provoca fracturas bajo cargas de trabajo normales. En las superficies de fractura se pueden observar productos de corrosión como capas de óxido y picaduras de corrosión.

Causas de fractura: Los pernos que se utilizan en ambientes corrosivos húmedos,{0}}salinos o con base-ácida son propensos a fallar por corrosión, como las instalaciones de acero estructural cerca del mar y los equipos industriales químicos. Por ejemplo, los pernos de conexión en las cubiertas de los barcos se erosionan continuamente por el agua de mar y la niebla salina, lo que provoca la degradación del material y la fractura por corrosión.

4. Fractura por corrosión bajo tensión

La fractura por corrosión bajo tensión se refiere a la fractura frágil que se produce bajo la acción combinada de una tensión de tracción constante y medios corrosivos específicos. La grieta crece lentamente en la etapa inicial sin síntomas obvios de falla y se produce una fractura repentina una vez que la grieta alcanza el tamaño crítico. La superficie de fractura presenta características duales de falla por tensión y daño por corrosión.

Causas de fractura: Ciertos materiales de pernos pueden generar y expandir grietas por corrosión bajo tensión bajo tensión de tracción constante y baja en ambientes corrosivos específicos. Un caso típico es la fractura por corrosión bajo tensión de pernos de acero inoxidable austenítico en ambientes ricos en cloruro-.

5. Fractura por fragilidad por hidrógeno

Durante la fabricación o el servicio, los átomos de hidrógeno penetran y se acumulan dentro del material del perno, formando moléculas de hidrógeno que producen una enorme presión interna. Esto provoca grietas en la red y propagación de microfisuras, lo que eventualmente conduce a una fractura frágil. La fragilización por hidrógeno es una falla frágil típica caracterizada por superficies de fractura planas y sin deformación plástica obvia.

Causas de fractura: Los átomos de hidrógeno penetran en la matriz del acero durante la galvanoplastia, el decapado con ácido, el fosfatado y otros procesos de tratamiento de superficies sin un tratamiento de deshidrogenación adecuado.Pernos de acero de alta-resistenciason muy sensibles a la fragilización por hidrógeno. La concentración excesiva de iones de hidrógeno en la solución de revestimiento y los procesos de deshidrogenación no calificados son los principales inductores de la fractura por fragilidad por hidrógeno.

6. Fractura causada por defectos de fabricación

Los defectos internos y superficiales generados durante la producción de materias primas y la fabricación de pernos forman fuentes de concentración de tensiones. Bajo carga, la tensión aumenta bruscamente en las posiciones de los defectos, lo que induce el inicio de grietas y su rápida propagación, lo que eventualmente conduce a la fractura. En la superficie de la fractura se pueden observar claramente las características del defecto de fabricación original.

Causas de fractura: Defectos de la materia prima como inclusiones, porosidad, cavidades de contracción y segregación; El control inadecuado de los procesos de forjado, tratamiento térmico y torneado provoca grietas por enfriamiento, grietas por rectificado, marcas de herramientas y rayones.

II. Tres zonas características de fractura por sobrecarga de pernos

1. Zona de Fibra

Posición: Ubicado en el centro de la superficie de la fractura, sirviendo como zona de inicio y propagación inicial de la grieta.

Características Morfológicas: La superficie es rugosa y fibrosa con deformación plástica visible y agregación de microhuecos, que es una característica típica de la fractura dúctil.

Mecanismo de formación: En la etapa de fractura inicial, el material del perno sufre una reología plástica bajo tensión. Los microhuecos se generan, crecen, se agregan y se conectan para formar la morfología de la fractura fibrosa.

2. Zona irradiada

Posición: Ubicado fuera de la zona de la fibra, correspondiente a la etapa de rápida propagación de grietas.

Características Morfológicas: La superficie de la fractura es relativamente plana con texturas radiales o en espiga claras que se extienden hacia afuera desde el centro.

Mecanismo de formación: Cuando la grieta inicial se expande hasta el tamaño crítico, entra en la etapa de propagación rápida. La concentración de tensión severa en la punta de la grieta provoca un rápido desgarro transgranular o intergranular, formando una morfología de fractura radial.

3. Zona del labio de corte

Posición: Distribuido en el borde más externo de la superficie de fractura, formado en la etapa final de fractura.

Características Morfológicas: La superficie es lisa e inclinada con características típicas de deslizamiento por corte, formando un labio de corte anular, que es la característica final de la fractura dúctil.

Mecanismo de formación: En la etapa de fractura final, el material residual se desliza y se desgarra a lo largo del plano de corte máximo bajo alta tensión, produciendo deformación plástica por corte y formando la estructura del labio de corte.

III. Posiciones comunes de fractura por sobrecarga de pernos

1. Primer diente de rosca cerca de la superficie de apoyo de la tuerca

Las cargas de las uniones atornilladas se transmiten principalmente a través de dientes roscados que engranan. El primer diente de la rosca cerca de la superficie de apoyo de la tuerca soporta la carga más grande y presenta la concentración de tensión más severa. Es la posición más susceptible a sufrir fracturas por sobrecarga durante el servicio a largo plazo-.

2. Raíz de la rosca en la transición entre la cabeza del perno y el vástago

La raíz de la rosca presenta cambios geométricos abruptos y un alto coeficiente de concentración de tensiones. En estados de tensión complejos, se convierte en el punto estructural débil de los pernos y es propenso a fracturarse bajo sobrecargas y cargas de impacto.

3. Zona de transición entre el vástago liso y la sección roscada

Los cambios bruscos en el tamaño y la estructura de la sección transversal-en la unión del vástago liso y la sección de la rosca provocan una concentración obvia de tensión y una distribución desigual de la tensión. Esta posición genera fácilmente el inicio de grietas en condiciones de sobrecarga y conduce a la falla por fractura.

IV. Estados de fractura de pernos bajo diferentes formas de carga

1. Fractura bajo tensión de tracción

Se puede observar una fractura típica del cono de copa- y un alargamiento general evidente y una deformación del cuello. Para pernos de alta-tenacidad bajo sobrecarga de tracción, la sección de fractura final forma un ángulo de corte de aproximadamente 45 grados con el eje del perno, que pertenece a la fractura por sobrecarga dúctil típica, que ocurre principalmente en la posición de la raíz de la rosca débil.

2. Fractura bajo tensión de impacto y momento de flexión

Se pueden observar texturas radiales y labios de corte en la superficie de la fractura, mientras que los labios de corte están incompletos y distribuidos de manera desigual sin una forma anular completa. La fractura presenta deformaciones plásticas menores y características evidentes de fragilidad, causadas principalmente por impactos instantáneos y cargas de flexión.

3. Fractura bajo tensión combinada de torsión y tensión

Bajo cargas combinadas de torsión y tracción, la superficie de fractura muestra texturas torsionales arremolinadas obvias, así como morfologías en forma de media luna o abanico-. La distorsión y el desplazamiento distintivos de la fractura se forman por el deslizamiento relativo y el desgarro de los materiales a lo largo del plano de corte bajo la fuerza de corte de torsión.