Upload
vuongkien
View
227
Download
1
Embed Size (px)
Citation preview
Análisis de Falla
Tornillo A325
AF-02-21oc13 1
Análisis de Falla en Tornillo A325
Se presenta el análisis de falla, realizado a un tornillo de cabeza hexagonal, cuyo estampado de forja
en la cabeza indica el tipo A325, correspondiente a tornillo estructural de alta resistencia y
composición nominal de medio carbono (Tabla 1). Las dimensiones que presenta son: 3x1¼
pulgadas.
Dicho tornillo presenta fractura total de manera transversal al eje longitudinal del tornillo, en una
configuración de copa y cono en la zona de cuerdas próximas a la cabeza característica de una falla
por tracción, no obstante no se aprecia deformación plástica en ninguna de las partes que sugiera
solicitaciones a tracción.
Se realizó limpieza electrolítica, corte y preparación metalográfica tanto en secciones transversales,
como en longitudinales para su caracterización microestructural mediante Microscopía óptica y
Electrónica de Barrido, mientras que por otra parte, se realizaron ensayos, tanto químicos como
mecánicos, para identificar la naturaleza del acero.
Antes de continuar con la descripción de las superficies de desprendimiento es conveniente mencionar
que durante el proceso de preparación de las muestras y al ser aplicada una carga por el disco de corte
la pieza presentó una nueva fractura [figuras 3 y 4]. Esta nueva superficie de desprendimiento paralela
a la original, presenta por consecuencia la misma geometría y se produjo por una carga muy inferior a
la resistencia del material. Es por consecuencia que su estudio permite precisar las causas de la falla
original, motivo de este estudio.
A continuación se presentan las observaciones realizadas.
Imagen 1. Aspecto de la zona de fractura después de la limpieza. Se aprecia una fractura compuesta,
es decir, una fractura perimetral adyacente a las cuerdas y una fractura central (punta del cono)
aparentemente dúctil.
Análisis de Falla
Tornillo A325
AF-02-21oc13 2
Imagen 2. Detalle de la zona de fractura en la sección correspondiente a la cabeza. Se observa dos
zonas de fractura: la perimetral, con aparentes marcas de chevrón y la zona central en configuración de
cono con marcas radiales hacia la punta la cual presenta una superficie de fractura aparentemente
dúctil. La falla se presenta cuando al apretar la tuerca el cuerpo del tornillo queda a tracción, resulta
por demás evidente que la fuerza de tracción es reducida, sin embargo se presenta la separación del
cuerpo debido a que su resistencia está muy debajo de lo especificado. Considerando las superficies y
en base a lo observado en la figura 3 el área que soporta la carga es mínima y corresponde con el filete
de las cuerdas.
Imagen 3. Configuración de cortes transversales metalográficos. Se presenta un desprendimiento
similar a la fractura, pero sección adyacente. La fuerza que produce este nuevo desprendimiento es
mínima.
Análisis de Falla
Tornillo A325
AF-02-21oc13 3
a b
c
Imagen 4. Los cortes adyacentes a la fractura muestran agrietamiento interno concéntrico a la
geometría del tornillo, llegando incluso al desprendimiento. En (a) se aprecia fractura interna circular
y con corrimiento axisimétrico al eje longitudinal mientras que (b) muestra la contra con
desprendimiento de una sección cónica. La imagen en (c) corresponde a corte longitudinal en la
sección opuesta revelando la presencia otra zona de agrietamiento con el mismo patrón de cono.
Análisis de Falla
Tornillo A325
AF-02-21oc13 4
Imagen 5. Imagen en corte longitudinal a 100x mediante Microscopía Electrónica de Barrido. Se
observa una gran cantidad de inclusiones orientadas de acuerdo al eje longitudinal del tornillo, así
como una discontinuidad transversal.
Imagen 6. Detalle de inclusiones en otra zona observándose la magnitud de estas.
Discontinuidad en
dirección transversal
Análisis de Falla
Tornillo A325
AF-02-21oc13 5
Imagen 7. Zona adyacente a fractura interna (Imagen 4c). Se observan inclusiones.
Imagen 8. A mayores aumentos se observa la naturaleza de las inclusiones, identificándose silicatos
alargados y discontinuos, así como múltiples óxidos.
Análisis de Falla
Tornillo A325
AF-02-21oc13 6
Imagen 9. Corte longitudinal con ataque (Nital al 3%). Se detecta un bandeo longitudinal muy
marcado y continuo en la estructura del material.
Imagen10. Detalle de la estructura bandeada.
Análisis de Falla
Tornillo A325
AF-02-21oc13 7
Imagen 11. A mayores aumentos, se aprecia la microestructura del material, caracterizándose por un
grano equiaxial fino con una transformación incompleta, es decir no se aprecia la martensita de
revenido que se esperaría, si no, una combinación de fases que van desde bandas de ferrita en una
matriz de granos de perlita fina, hasta inclusiones y discontinuidades.
Imagen 12. Banda de ferrita en matriz de grano perlítico.
Análisis de Falla
Tornillo A325
AF-02-21oc13 8
Imagen 13. Banda de ferrita con inclusiones.
Imagen 14. Misma imagen que la anterior pero con detector de electrones retrodispersados (diferencia
de densidades), Se observa que, aunque la banda de ferrita en de mayor longitud, el silicato que aloja
es de menor longitud y discontinuo.
Análisis de Falla
Tornillo A325
AF-02-21oc13 9
a b
Imagen 15. Otra zona utilizando detector de electrones secundarios (a) y retrodispersados (b).
Imagen 16. Detalles a mayores aumentos en cortes longitudinales.
Análisis de Falla
Tornillo A325
AF-02-21oc13 10
Imagen 17. Corte transversal en zona de fractura interna (imagen 4a). Se trata de fractura interna
circular, concéntrica a la geometría del tornillo, en cuyo interior se observa basura proveniente del
proceso metalográfico, sin embargo, las superficies adyacentes presentan una diferencia
microestructural crítica distribuida en bandas, es decir, a la izquierda de la imagen (sección central del
tornillo) se aprecia la microestructura equiaxial observada en las imágenes previas, mientras que del
lado derecho (anillo exterior), la microestructura se presenta como una martensita fina de revenido.
Imagen 18. Dicha fractura corresponde a una interfase microestructural, encontrando una martensita
continua en la parte externa de la fractura [figura derecha] y una microestructura de grano equiaxial
producto de una transformación incompleta [figura izquierda].
Análisis de Falla
Tornillo A325
AF-02-21oc13 11
Imagen 19. Parte interna de la fractura (núcleo del tornillo, imagen 4a) con inclusiones.
Imagen 20. Parte externa de la fractura. Se observa una gran cantidad de carburos globulares.
Análisis de Falla
Tornillo A325
AF-02-21oc13 12
Imagen 21. Detalle en otra zona de microestructura martensítica.
Imagen 22. Utilizando detector de electrones retrodispersados se revela una alta densidad de carburos
finos homogéneamente distribuidos, sin embargo, esta distribución de carburos corresponde con una
banda del material vista de manera transversal.
Análisis de Falla
Tornillo A325
AF-02-21oc13 13
Análisis Químico
Se realizó el análisis químico mediante Espectroscopia de Emisión Óptica. Los resultados se presentan en la
Tabla 1 que a continuación se muestra.
Tabla 1. Composición química tornillo
Tabla 2. Composición Nomina Tornillo A-325 Tipo 1 (ASTM A-325)
Dureza
El ensayo de dureza se llevó a cabo de acuerdo a la norma ASTM E18, encontrando la siguiente
dureza, considerando las zonas de transformación.
Dureza que se reporta para Tornillos A325 T1
Dureza promedio en Zona Externa: 35 HRc
Dureza promedio en Zona Interna: 25 HRc
C
%
Si
%
Mn
%
P
%
S
%
Cr
%
Mo
%
Ni
%
Al
%
Co
%
Cu
%
Ti
%
V
%
Pb
%
Fe
%
0.4863 0.2527 0.663 0.0297 0.0194 0.1016 0.0377 0.0339 0.0100 0.0096 0.0301 0.0027 0.0000 0.0051 98.3
C
%
Si
%
Mn
%
P
%
S
%
Fe
%
0.3 a 0.52 0.15 – 0.3 Min 0.6 Max 0.04 Max 0.05 Resto
Análisis de Falla
Tornillo A325
AF-02-21oc13 14
Conclusiones
De acuerdo a lo observado, el tornillo presenta una serie de inconvenientes que se revelan en el
análisis microestructural, por lo que a simple vista no es posible calificar el tornillo como defectuoso,
aunado al hecho que la composición química que registra y la dureza obtenida en el ensayo
correspondiente se ajusta a lo especificado en norma ASTM para este tipo de tornillos.
No obstante, la falla que se presentó fue consecuencia de inconvenientes de origen, es decir, la fractura
del tornillo fue debido a una mala calidad del material aunado a deficiencias del proceso
termomecánico.
En cuanto al material, se observaron inclusiones no metálicas, tales como silicatos y óxidos en
cantidad y tamaño críticos, así como discontinuidades muy heterogéneas y dispersión de carburos
globulares, tanto finos, como gruesos.
En cuanto a proceso, el tornillo presentó una estructura bandeada, orientada longitudinalmente con
respecto a la dirección de proceso de conformado, lo cual contribuyó a la distribución en bandas largas
y continuas de los defectos antes descritos, lo cual provocó una distribución de propiedades mecánicas
en razón de esta distribución bandeada.
El consiguiente proceso conformado plástico llevó a la fractura del material de manera interna,
favorecido esto por la distribución en banda de defectos, por lo que la superficie al interior de la grieta
(grieta interna) no corresponde con una superficie de fractura.
Dado este agrietamiento en etapa de conformado, el proceso térmico de temple y revenido no es
uniforme, por lo que la microestructura observada no es homogénea, observándose así una
combinación de fases con la consiguiente distribución de propiedades mecánicas correspondientes a
cada microestructura.
Imagen 23. Superficie del material en el interior de la grieta. No se considera superficie de fractura.
Al haber una fractura interna dividiendo el núcleo del tornillo con una capa exterior, al presentarse el
torque de apriete en el tornillo al momento de ensamble, la capa exterior es la que se fractura primero
llevando al desprendimiento final del núcleo el cual presenta menores propiedades mecánicas, por lo
que el desprendimiento de este último es en apariencia dúctil.
Análisis de Falla
Tornillo A325
AF-02-21oc13 15
Al desconocer si el material en cuestión es producto de una cola o punta de lingote antes de la
laminación de la barra, es altamente recomendable retirar de servicio todas aquellas piezas
pertenecientes al mismo lote dado el alto riesgo de material contaminado y con presencia de fases.
Razón por la cual no existe ninguna confiabilidad en los tornillos que provengan del mismo lingote,
por otra parte se recomienda cambiar al proveedor del acero.
Cd. Universitaria a 21 de octubre de 2013
Dr. Armando Ortiz Prado
M.I. Efraín Ramos Trejo
Ing. Jorge Luis Romero Hernández