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Laminada después del tratamiento térmico: una de esas cifras es negativa
Laminar la rosca después del tratamiento térmico cuesta más, y se vende con una cifra de fatiga. La cifra es real: hasta un +158 % de resistencia a la fatiga a diez millones de ciclos. Lo que la cifra no dice es que se midió con un 1 % de precarga — en la práctica, un perno sin apretar. Repita la misma comparación en rosca gruesa con las precargas que usa una unión real y las mejoras medidas fueron +8 %, −9 % y 0 %.
El experimento y qué significaba en él «precarga»
Stephens y sus coautores compararon pernos laminados antes del tratamiento térmico (RBHT) con pernos laminados después (RAHT) en cinco niveles de precarga, trazando curvas S–N en cada uno. Ese diseño es la razón por la que vale la pena leer el estudio: la mayoría de las comparaciones de fatiga eligen una tensión media y se detienen ahí.
Aquí, la «precarga» es la tensión axial mínima aplicada, mantenida fija, mientras la tensión máxima se varía para construir la curva. Los porcentajes se refieren a unos 1100 MPa — la tensión de prueba media de las probetas RBHT, no la de cada grupo.
Eso importa, porque la tensión de prueba de los RAHT era aproximadamente un 10 % menor. Así, los niveles nominales corresponden aproximadamente a estas fracciones de la tensión de prueba propia de los pernos RAHT:
| Nominal | Fracción de la tensión de prueba propia de RAHT | Qué representa |
|---|---|---|
| 1% | 1.1% | Prácticamente sin precarga de montaje, R < 0.05 |
| 50% | 55% | Tensión media moderada |
| 75% | 83% | Como una unión realmente instalada |
| 90% | 100% | Aproximadamente en la tensión de prueba RAHT |
| 100% | 110% | Por encima; la plasticidad pasa a ser relevante |
Los propios autores describieron las condiciones del 75 % y el 90 % como representativas de la precarga real, basándose en la experiencia de Caterpillar y en la suya propia. Así que la evidencia práctica existe — solo que no es la cifra del titular.
La tabla de la que sale la cifra comercial
| Precarga nominal | Rosca fina (3/8-24 UNRF) | Rosca gruesa (3/8-16 UNRC) |
|---|---|---|
| 1% | +158% | +147% |
| 50% | +67% (tabla STP); +69% en el resumen SAE | +8% |
| 75% | +50% | −9% |
| 90% | +40% | 0% |
| 100% | alrededor de +30% | no se informó aumento a alta precarga |
Lea la columna de la derecha en el 75 %. Menos nueve por ciento. Con la precarga que los autores llaman representativa de la vida real, los pernos RAHT de rosca gruesa no superaron al proceso más barato — quedaron ligeramente por detrás.
No vamos a afirmar que el RAHT empeore las roscas gruesas. Un −9 % aislado entre un +8 % y un 0 % se lee como ausencia de mejora reproducible, no como daño. El resumen honesto es que el grupo de rosca gruesa no mostró ninguna ventaja fiable a alta precarga.
Antes de actuar en consecuencia: las salvedades son reales
Esta es la parte que decide si puede usar la tabla, así que no está enterrada al final.
- El grupo de rosca gruesa tenía factores de confusión. Matrices de laminado distintas, radios de fondo que diferían un 5–15 %, tensiones residuales anómalas y solapes de rosca en las probetas RAHT de rosca gruesa. Parte del resultado de la rosca gruesa puede deberse a la fabricación y no al orden del proceso
- No se demuestra que el contraste entre rosca fina y gruesa al 1 % sea significativo. +158 % frente a +147 % nunca se sometió a una prueba de hipótesis
- Las magnitudes no son universales. Un estudio posterior con pernos M8 de clase 10.9 encontró solo alrededor de un 9 % de mejora RAHT a R ≈ 0.8
- Los valores publicados difieren según la versión. Los resúmenes de SAE y JAI dan «69 a 30 %»; la tabla posterior del ASTM STP da 67 %, 50 % y 40 % a los niveles nominales de 50, 75 y 90 %. Tómelo como redondeo o revisión del análisis, no como falsa precisión
Lo que sobrevive a todo eso es la forma y no las cifras: la ventaja RAHT es máxima casi sin precarga y disminuye al aumentar la precarga, y los autores lo enuncian como un resultado en lugar de dejar que se infiera.
Las cifras de tensión residual se citan mal más de lo que están mal
El RAHT funciona deformando en frío el fondo de rosca después de que el material se ha endurecido, lo que deja tensión residual de compresión justo donde de otro modo empezarían las grietas de fatiga. Los números que circulan son mediciones reales — de cosas que luego se describen con poca precisión.
| Cifra | Qué es en realidad |
|---|---|
| −500 a −1000 MPa | Componentes máximas de compresión cerca de la superficie, por difracción de rayos X (XRD), en la superficie y a 0.051 y 0.127 mm de profundidad. No es la tensión axial superficial de toda rosca RAHT |
| Rosca fina RAHT, axial en superficie | Unos −255 MPa |
| Rosca gruesa RAHT, axial en superficie | Ligeramente a tracción — lo que concuerda con que ese grupo no mostrara mejora |
| −225 MPa | Por difracción de neutrones, no por XRD superficial; sin carga, galvanizado en caliente, clase 10.9, M36 |
Y «la precarga agota la tensión de compresión» es una simplificación que no vamos a repetir. La tracción elástica aplicada compensa la compresión residual dentro del historial local de tensión total; una relajación genuina requiere plasticidad local o redistribución cíclica. El trabajo de 2005 dedujo la relajación a partir del comportamiento a fatiga y de perfiles XRD sin carga — no siguió el campo de tensiones de forma continua mientras se apretaba el perno.
El horneado, no el recubrimiento
Hay un estudio que suele resumirse como «el tratamiento superficial anula la ventaja RAHT». Ese resumen está mal de una manera que vale la pena corregir, porque señala el elemento equivocado de su plano.
Lo que se investigó fue la exposición a temperatura después del laminado — del tipo asociado al curado de recubrimientos organometálicos y al horneado de deshidrogenado tras el recubrimiento electrolítico. El mecanismo en cuestión es la relajación térmica de la tensión residual de deformación en frío. No es una afirmación de que la química del recubrimiento anule el RAHT de forma universal.
Y no es fragilización por hidrógeno, que es un mecanismo distinto tratado aparte en la protección anticorrosión que rompe el tornillo. La conexión es solo que el mismo horneado es relevante para ambos — el horneado que le protege de un problema es el calor que puede relajar la tensión residual por la que pagó.
Lo que las normas le dan y lo que no
- ISO 898-1 no exige RAHT y, lo que es más útil, declara expresamente que no especifica la resistencia a la fatiga en absoluto. Una clase de resistencia alta no compra comportamiento a fatiga — es un requisito aparte que usted debe indicar
- Reconoce que el laminado de rosca después del tratamiento térmico puede aumentar la dureza superficial, pero no prescribe la secuencia de fabricación
- Tampoco la industria aeroespacial es una regla general. Las normas de perfil de rosca como AS8879 definen la geometría; es la especificación de compra o de producto la que impone el proceso
- No hay un techo universal de tamaño o dureza. La práctica habitual de laminado ronda los 32 HRC; matrices y procesos aeroespaciales especializados laminan alrededor de 38–40 HRC y más. Influyen el diámetro, el paso, la ductilidad, el material de la matriz, la fuerza de laminado y la vida útil aceptable de la herramienta
- El sobrecoste del 20–40 % es una estimación del sector recogida en el artículo de ASTM y repetida desde entonces. No pudimos encontrar detrás un conjunto de datos de costes independiente de los proveedores
Entonces, ¿cuándo vale la pena especificarlo?
- Cuando la unión es crítica a fatiga y está poco precargada. Ahí es donde la mejora medida es mayor, y es un caso de diseño real — no todas las uniones se aprietan con fuerza.
- No como mejora general de una unión bien precargada, y menos aún en rosca gruesa, donde este estudio no encontró ninguna ventaja fiable con la precarga de servicio.
- Pregunte qué ocurre después del laminado. Si las piezas se recubren electrolíticamente y se hornean, o si un recubrimiento se cura térmicamente, la tensión residual que está comprando sufre ese calor. Pida la secuencia y las temperaturas, no solo el nombre del proceso.
- Indique la fatiga como requisito si la necesita, porque la clase de resistencia no la incluye. La propia ISO 898-1 lo dice.
- Resuelva primero la cuestión de la precarga. Aquí el comportamiento a fatiga está dominado por la tensión media, así que el diagrama de la unión y lo bien que su método controla la precarga importan más que la secuencia de laminado en la mayoría de las uniones.
La pregunta previa — laminada o tallada, sin más — se trata en laminada o tallada.
Referencias
- R. I. Stephens, N. J. Bradley, N. J. Horn, J. J. Gradman, J. M. Arkema y C. S. Borgwardt, ‘Fatigue of High Strength Bolts Rolled Before or After Heat Treatment with Five Different Preload Levels’, SAE Technical Paper 2005-01-1321, 2005, DOI 10.4271/2005-01-1321
- N. J. Bradley y coautores, ‘Influence of Cold Rolling Threads Before or After Heat Treatment on the Fatigue Resistance of High Strength Fine Thread Bolts for Multiple Preload Conditions’, Journal of ASTM International 3(4), 2006, JAI13069, DOI 10.1520/JAI13069
- R. I. Stephens y coautores, ‘Influence of Cold Rolling Threads Before or After Heat Treatment on the Fatigue Resistance of High Strength Coarse Thread Bolts for Multiple Preload Conditions’, Journal of ASTM International 3(3), 2006, JAI13075, DOI 10.1520/JAI13075
- N. J. Horn y R. I. Stephens, ‘Influence of Cold Rolling Threads Before or After Heat Treatment on High Strength Bolts for Different Fatigue Preload Conditions’, Journal of ASTM International 3(1), 2006, JAI12551, DOI 10.1520/JAI12551
- Marcelo y coautores, 2011 — M8, clase 10.9, alrededor de un 9 % de mejora RAHT a R ≈ 0.8
- ISO 898-1 — propiedades mecánicas de los elementos de fijación; especifica clases de resistencia y declara expresamente que no especifica la resistencia a la fatiga. AS8879 — geometría del perfil de rosca, no un requisito de proceso
La aceptación de cualquier unión concreta se rige por su plano y sus propios ensayos.
Este artículo trata el paso 2: rosca. El orden completo es sustrato, rosca, cabeza, accionamiento, acabado y documentación. El artículo inglés Specifying a screw explica por qué alterarlo genera retrabajo.
Preguntas frecuentes
¿Vale la pena pagar por laminar la rosca después del tratamiento térmico?
Depende casi por completo de cuánto se precargue la unión. En el estudio de cinco precargas de Stephens y coautores, los pernos RAHT de rosca fina ganaron un 158 % de resistencia a la fatiga a diez millones de ciclos con un 1 % de precarga, pero solo alrededor de un 40 % con un 90 % nominal. Las probetas de rosca gruesa ganaron un 8 % al 50 % nominal, menos 9 % al 75 % y 0 % al 90 %, es decir, ninguna mejora fiable con las precargas que los autores describen como representativas de la vida real.
¿Qué significa un 1 % de precarga en esos ensayos?
Es la tensión axial mínima aplicada, mantenida fija, establecida en el 1 % de unos 1100 MPa, la tensión de prueba media de los pernos laminados antes del tratamiento térmico. La relación de tensiones era inferior a 0,05, de modo que el perno seguía sometido a tracción cíclica pero prácticamente sin precarga de montaje. Citar la cifra del 158 % sin ese contexto la tergiversaría para cualquiera que diseñe una unión apretada.
¿Por qué los porcentajes se refieren al otro grupo?
Porque el estudio usó la tensión de prueba media RBHT como referencia común para todas las probetas. Los pernos RAHT tenían una tensión de prueba aproximadamente un 10 % menor, así que los niveles nominales de 1, 50, 75, 90 y 100 % corresponden aproximadamente al 1,1, 55, 83, 100 y 110 % de la tensión de prueba propia de los pernos RAHT. Al 90 % nominal, los pernos RAHT ya estaban aproximadamente en su propia tensión de prueba.
¿El recubrimiento electrolítico anula la ventaja del laminado después del tratamiento térmico?
Es una lectura errónea. El estudio que suele citarse investigó la exposición a temperatura después del laminado, del tipo asociado al curado de recubrimientos organometálicos y al horneado de deshidrogenado tras el recubrimiento electrolítico, y el mecanismo en cuestión es la relajación térmica de la tensión residual de deformación en frío. No demuestra que la química del recubrimiento anule por sí misma la ventaja, y es un mecanismo distinto de la fragilización por hidrógeno, aunque el mismo horneado sea relevante para ambos.
¿Una clase de resistencia alta significa buen comportamiento a fatiga?
No. ISO 898-1 especifica clases de propiedades mecánicas y físicas y declara expresamente que no especifica la resistencia a la fatiga. Si la fatiga importa en su unión, debe indicarse como requisito aparte; la determinan la secuencia de fabricación, el estado del fondo de rosca y la precarga, no el número de la clase de resistencia.
Consulta
Si un plano exige roscas laminadas después del tratamiento térmico, díganos qué precarga verá realmente la unión y qué les ocurre a las piezas después del laminado. Ambas cosas deciden si ese requisito le aporta algo.
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