Análisis de Falla

Tornillo A325

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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.

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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.

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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.

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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

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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.

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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.

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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.

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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.

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a b

Imagen 15. Otra zona utilizando detector de electrones secundarios (a) y retrodispersados (b).

Imagen 16. Detalles a mayores aumentos en cortes longitudinales.

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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].

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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.

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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.

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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

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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.

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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