¿Dónde reside la resistencia de los pernos de alta resistencia?

1. Antecedentes

El 28 de noviembre de 2021, un equipo de investigación dirigido por el profesor Han Dong de la Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad de Shanghai, en colaboración con Hebei Longfengshan Foundry Co., Ltd., Qifeng Precision Technology Co., Ltd., Zhoushan 7412 Factory , el Instituto de Investigación de Tecnología Metalúrgica de Jiangsu, el Instituto de Materiales para Equipos Avanzados de la Universidad de Shanghai (Zhejiang) y el Instituto de Nuevos Materiales Shanda (Taizhou) desarrollaron con éxito sujetadores de acero de ultra alta resistencia B17.8 y B19.8. Este logro fue el resultado de más de un año de esfuerzos conjuntos, utilizando un modelo colaborativo de proceso completo de 'producción de materiales, fabricación de sujetadores y evaluación de servicios'. Basado en teorías avanzadas de materiales de acero y utilizando hierro de alta pureza proporcionado por Longfengshan Foundry, desarrollaron tecnología de fabricación para pernos de grados 16,8 y 19,8.

2. ¿Qué son los pernos de alta resistencia?

Los pernos de agarre de fricción de alta resistencia (HSFG), comúnmente conocidos como pernos de alta resistencia, a menudo se malinterpretan debido a la omisión de los términos 'fricción' y 'precarga' en el uso diario.

Concepto erróneo 1: Los pernos de alta resistencia son simplemente pernos con una calidad de material superior a 8,8.

En realidad, la diferencia fundamental entre los pernos de alta resistencia y los pernos comunes no radica en la resistencia del material, sino en cómo manejan las cargas. La característica clave de los pernos de alta resistencia es la aplicación de precarga para utilizar la fricción estática para resistir las fuerzas cortantes. Según las normas británicas y estadounidenses (como BS EN 14399, ASTM A325 y ASTM A490), los pernos de alta resistencia solo incluyen los grados 8,8 y 10,9, mientras que los pernos ordinarios cubren varios grados, como 4,6, 5,6, 8,8, 10,9 y 12,9. Por tanto, la resistencia del material por sí sola no es el factor definitorio.

3. Ventajas de los pernos de alta resistencia

La comparación de la resistencia a la tracción y al corte de los pernos ordinarios de grado 8,8 y los pernos de alta resistencia de grado 8,8 según el estándar GB50017 revela que los pernos ordinarios del mismo grado suelen tener valores de diseño más altos. Entonces, ¿de dónde viene la 'resistencia' de los pernos de alta resistencia?

Para responder a esto, es necesario analizar sus condiciones de trabajo de diseño y sus características de deformación elástico-plástica:

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Pernos ordinarios: Cuando se sobrecarga, el vástago sufre una deformación plástica que eventualmente conduce a una falla por corte. Antes de absorber las fuerzas de corte, se produce un deslizamiento entre las placas conectadas, después de lo cual el vástago entra en contacto con las placas para absorber la carga mediante deformación.

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Pernos de alta resistencia: Cuando la fricción estática es insuficiente para resistir el corte, las placas conectadas pueden deslizarse (en el estado límite). Sin embargo, incluso después de deslizarse, el vástago del perno todavía puede soportar fuerzas de corte a través de su propia deformación elástico-plástica.

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Concepto erróneo 2: Los pernos de alta resistencia tienen mayor capacidad de carga.

De hecho, la resistencia a la tracción y al corte de los pernos individuales de alta resistencia no es necesariamente mayor que la de los pernos ordinarios. La ventaja reside en su diseño: el punto de conexión no permite ningún deslizamiento, lo que se traduce en una mínima deformación, una gran rigidez y mayores márgenes de seguridad. Estas características los hacen especialmente adecuados para conexiones de alta rigidez como juntas de vigas principales, alineándose con el principio de diseño sísmico de 'uniones fuertes, componentes débiles'.

4. Comparación entre pernos de alta resistencia y pernos comunes

Debido a las diferencias en los principios de carga, los procesos de construcción e inspección de pernos ordinarios y pernos de alta resistencia difieren significativamente. Los pernos comunes generalmente tienen requisitos de rendimiento mecánico ligeramente más altos que los pernos de alta resistencia del mismo grado. Sin embargo, los pernos de alta resistencia también deben cumplir estándares adicionales de resistencia al impacto.

En aplicaciones prácticas, los pernos se pueden identificar mediante marcas. Tenga en cuenta que los cálculos de par para pernos de alta resistencia difieren entre los estándares británicos y estadounidenses. Generalmente, los pernos ordinarios cuestan alrededor del 70% de los pernos de alta resistencia debido a los requisitos de mayor tenacidad (energía de impacto) de estos últimos.

5. Cómo mejorar la resistencia a la fatiga de los pernos

Bajo condiciones de carga complejas, la falla por fatiga es el modo de falla más común para pernos de alta resistencia. Según un estudio realizado en 1980 sobre 200 casos de falla de pernos, más del 50% se debió a daños por fatiga. Por lo tanto, mejorar la resistencia a la fatiga es crucial.

Las características de las fracturas por fatiga de pernos incluyen:

1. La tensión máxima es significativamente menor que el límite de resistencia estática del material, incluso por debajo del límite elástico.

2. La fractura presenta características frágiles con poca deformación plástica.

3. La fractura es el resultado de microdaños acumulados.

Las ubicaciones de fallas comunes incluyen:

· La primera rosca de la tuerca (65%)

· El punto de transición entre los hilos y el vástago (20%)

· La transición redondeada entre la cabeza del perno y el vástago (15%)

Estrategias para mejorar la resistencia a la fatiga:

1. Optimice el diseño para reducir la concentración de tensiones: Utilice radios de transición más grandes, ranuras de alivio y diseños de roscas reforzadas para minimizar la concentración de tensiones.

2. Mejorar los procesos de fabricación:

a.Tratamiento térmico: Realizar un tratamiento térmico antes del laminado del hilo introduce tensión de compresión residual, lo que retrasa la propagación de grietas. También es esencial evitar la descarburación de la superficie, que puede reducir la resistencia a la fatiga en aproximadamente un 20%.

b.Tratamiento de fosfatación: Reduce la fricción durante el laminado del hilo, mejora la rugosidad de la superficie y mejora la resistencia a la fatiga.

3. Aplique la precarga adecuada: El aumento de la precarga induce tensión de compresión residual en las raíces de la rosca, lo que mejora la resistencia a la fatiga y reduce el riesgo de falla por fatiga al minimizar el aflojamiento de las juntas.

Conclusión

En resumen, la ventaja de los pernos de alta resistencia no reside en su capacidad de carga inherente sino en su alta rigidez y resistencia a la fatiga en los puntos de conexión. Esto los hace especialmente adecuados para estructuras que requieren alta rigidez y márgenes de seguridad.