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Unidad de Investigación y

Asistencia Técnica en Materiales

Facultad de Ingeniería, UNAM

Análisis de Falla en Pijas Cabeza Hexagonal 6-20x5/8”

Se presenta el análisis realizado muestras de pijas de cabeza hexagonal, las cuales corresponden a las diferentes

etapas de conformado, es decir se cuenta con muestras de tornillo SIN Tratamiento térmico, muestras CON

tratamiento Térmico, muestras con reporte de Baja Dureza y muestras Galvanizadas con FRACTURA.

A) B) C) D)

Figura 1. Lotes de tornillos bajo estudio. A) Muestras SIN Tratamiento; B) Muestras CON

Tratamiento; C) Muestras de Baja Dureza; D) Muestras Galvanizadas con FRACTURA.

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1. Microscopía Electrónica de Barrido: Superficie de fractura.

a b

Figura 2. Superficies de fractura en tornillos galvanizados. En ambos casos se observa una fractura por torsión

con corrimiento helicoidal a partir de la raíz de las cuerdas

Figura 3. Aspecto de la fractura en zona de inicio de la misma en la raíz de la cuerda. La morfología

corresponde a una fractura de tipo dúctil con formación de micro cavidades.

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Figura 4. Fractura adyacente a la superficie del tornillo. Se aprecia el espesor del galvanizado con microgrietas

perpendiculares a la superficie y un patrón de fractura dúctil.

Figura 5. Patrón de fractura dúctil.

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a b

c d

Figura 6. Vista general de las muestras en corte longitudinal. A) Muestras SIN Tratamiento; B) Muestras

CON Tratamiento; C) Muestras de Baja Dureza; D) Muestras Galvanizadas con FRACTURA.

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Figura 7. Cuerda de tornillo galvanizado y detalle de microgrieta en la raíz de la misma.

Figura 8. Tornillo de baja dureza y detalle en la raíz de la cuerda.

Figura 9. Tornillo SIN Tratamiento Térmico y detalle en el centro de la pieza.

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Figura 10. Tornillo CON Tratamiento térmico y detalle de la raíz de la cuerda.

Figura 11. Vista general del cuerpo de la pija con baja dureza en donde se aprecia una disparidad en el formado

de las cuerdas.

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2. Microscopía Óptica : Caracterización Microestructural

Figura 12. Vista a 100x. Pija sin tratamiento térmico. Se observa una microestructura tipo ferrítica de grano

extra fino ASTM 9.

Figura 13. Vista a 100x en corte longitudinal de muestra sin tratamiento térmico. Se muestra grano extrafino

deformado por efecto del proceso y como éste genera concentración de esfuerzos en la raíz de la cuerda.

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Figura 14. Detalle a 500x de la microestructura de muestra con tratamiento térmico, la cual corresponde a una

martensita revenida y fina, acorde al tamaño de grano y el tratamiento térmico especificado.

Figura 15. Detalle en cuerda con tratamiento térmico con la misma morfología de la figura anterior.

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Figura 16. Muestra con reporte de baja dureza (0 HRc). Se aprecia una microestructura ferrítica de grano grande

que va desde ASTM 2 hasta ASTM 4 adyacente a la superficie. (Tamaño de grano promedio ASTM 3).

Figura 17. Detalle en zona de raíz de cuerda.

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Figura 18. Vista a 100x en corte longitudinal en zona de cuerdas de muestra fracturada. Se observa una

distribución heterogénea de tamaños de grano, siendo fino (ASTM 9) en el centro del tornillo y grande

(ASTM 5) en el exterior.

Figura 19. Det5alle en cuerda de la pija fracturada a 200x. Se observa el espesor de la capa endurecida con

características de tratamiento térmico y núcleo ferrítico con severo crecimiento de grano.

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Figura 20. Detalle en otra pieza de pija fracturada.

Figura 21. En zona de fractura se observa como la fase ferritica es el total del espesor del tornillo, es decir en

zona de fractura no hay grano fino en el centro de la pija.

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Ensayo de dureza

Tabla 1. Durezas promedio registradas en los diferentes lotes de muestra analizados.

MUESTRA HV 50g HRb HRc

Pija SIN TT 183 87.1 ---

Pija CON TT 303 --- 29.8

Pija con BAJA DUREZA 123 66.7 ---

Pija con FRACTURA

Centro, grano fino

Cuerpo, grano grande

Capa superficial

244

201

473

---

91.5

---

21.3

---

46.9

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Análisis de resultados y conclusiones

Las pijas presentan inconsistencias microestructurales asociadas al proceso térmico de manufactura. Es decir,

inicialmente, las pijas presentan una microestructura de grano ferrítico deformado, con inclusiones típicas del

acero sin demeritar las propiedades mecánicas. En el segundo lote la microestructura denota un tratamiento

térmico de temple y la dureza registrada indica el correspondiente revenido, tal como lo reporta el fabricante

(350°C). Para el lote de muestras con reporte de baja dureza se observa una recristalización y crecimiento de

grano totalmente atípico y fuera de sentido dado que esto conlleva a la modificación de las propiedades

mecánicas en el material. Finalmente, el lote correspondiente a muestras fracturadas presenta una heterogeneidad

importante en la microestructura, que de igual manera impacta en la consistencia de las propiedades mecánicas.

Por otra parte, se puede argumentar que la presencia de inclusiones en el material (inherentes en el acero) así

como la composición química del mismo, resultan irrelevantes ante las condiciones que se generan en las etapas

posteriores del proceso. Cabe señalar que además se observó cierta inconsistencia geométrica en las cuerdas

formadas generando concentradores de esfuerzo en las raíces de las mismas, las cuales tampoco son la causa raíz

del problema.

De acuerdo a lo anterior se concluye que la falla fue debida a faltas graves en las etapas térmicas posteriores al

formado de la pija, en donde se promueve una recristalización y crecimiento totalmente anormal del tamaño de

grano, con consecuencia directa en detrimento de las propiedades mecánicas del producto.

M.C. Jorge Luis Romero Hernández Dr. Armando Ortiz Prado

Elaboró Revisó

Ciudad Universitaria, Coyoacán, D.F., a 14 de agosto de 2015