¿Apretar más hace que una unión dure más? Dos uniones, dos respuestas

La razón habitual no es la razón real

La explicación conocida dice que una precarga mayor hace que el perno soporte una parte menor de la carga externa, por lo que baja su amplitud de tensión, que es lo que impulsa la fatiga. La conclusión acierta con bastante frecuencia. El mecanismo es incorrecto.

Mientras la unión permanezca cerrada y ambos elementos respondan linealmente, la carga adicional del perno es ΔF_b = Φ · F_A. Φ depende de la rigidez del perno y las piezas sujetas, y del punto de introducción de la carga. La precarga no aparece. Apretar más eleva la tensión media del perno y deja igual la amplitud.

Bickford expone claramente la consecuencia incómoda: si la unión nunca iba a separarse con la carga máxima de trabajo, aumentar la precarga no reduce la amplitud de carga y la tensión media superior puede reducir la vida a fatiga.

Esa era la unión a tracción. La unión solapada es otra máquina.

Todo lo anterior supone que la carga tira a lo largo del eje del perno y que el punto crítico de fatiga está en la raíz de la rosca. En una unión solapada, la carga cruza el perno: dos placas quedan sujetas cara a cara y la carga se transmite entre ellas.

Aquí la precarga hace algo completamente distinto. Presiona las superficies de contacto para que la fricción transmita el cortante, lo que impide que las placas deslicen y que el perno apoye contra el lateral del agujero. La grieta de fatiga comienza en la placa, no en el perno, y la precarga controla cómo rozan las placas.

En esa unión, aumentar el par deja de ayudar y después perjudica

Wagle y Kato ensayaron probetas solapadas de aluminio A2024-T3: placas de 4 mm, agujero de 6.03 mm, perno de clase 12.9 y 5.95 mm de diámetro, unos 80 µm de holgura, 10 Hz y R = 0.05. Con una amplitud de tensión de 15 MPa, el modo de fallo cambió al aumentar el par:

Las grietas aparecieron en la interfaz de contacto entre las dos placas, aproximadamente 1.8–2.1 mm por delante del agujero. No estaban en la raíz de la rosca ni en el perno. Una sujeción mayor aumenta la presión de contacto y la fricción transmisible, desplaza el daño desde la pared del agujero hasta el límite adherencia-deslizamiento de la interfaz, y allí el microdeslizamiento local bajo alta presión inicia la grieta.

Pruebas independientes y un caso en que el par no hizo nada

Juoksukangas y sus colaboradores observaron la misma dirección con otra configuración: la vida a fatiga por fretting disminuía al aumentar tanto la precarga como la tensión nominal. La inversión no es un artefacto de un solo experimento.

La advertencia opuesta procede de Mínguez y Vogwell, que ensayaron uniones de aluminio de solape simple y doble. En las probetas de solape doble, elevar el par mejoró claramente la vida. En las de solape simple, pasar de 1 a 6 N·m no produjo ninguna mejora significativa, porque dominaba la flexión excéntrica. El mecanismo por el que un elemento flexible amplifica la carga del perno es el efecto palanca; véase el perno puede recibir el doble de la carga aplicada. Mismo material y misma familia de unión, pero sensibilidad opuesta a la variable ajustada.

Qué puede extraerse de esto y qué no

Son ensayos de placas solapadas, transferencia de cortante y fallo de la pieza sujeta. No se trasladan a uniones a tracción cuyo punto crítico es la raíz de la rosca, a bridas y juntas, a materiales compuestos o piezas sujetas blandas, ni a uniones donde pasadores o un ajuste de interferencia transmiten el cortante. La rugosidad, la lubricación, el recubrimiento, la holgura del agujero y el espesor de la placa desplazan todos los valores.

Las normas tampoco lo recogen como regla general. ISO 898-1 no especifica expresamente el comportamiento a fatiga. ISO 3800 es un método de ensayo de fatiga axial que no considera la flexibilidad de las piezas sujetas. VDI 2230-1 pide evitar el microdeslizamiento en la interfaz y la corrosión por fretting —la misma preocupación—, pero no afirma que una precarga mayor limite en general la vida a fatiga por medio del fretting.

Este artículo no pertenece a un solo paso de los seis: abarca varios o aparece después del montaje. Las decisiones se explican en el artículo inglés Specifying a screw.

Preguntas frecuentes

Entonces, ¿es incorrecto decir que hay que apretar correctamente para mejorar la vida a fatiga?

No, pero su razón habitual sí lo es. En una unión a tracción que permanece cerrada, la amplitud de carga del perno es el factor de carga multiplicado por la carga externa y la precarga no interviene. Apretar más eleva la tensión media y deja igual la amplitud. El beneficio real es que una precarga suficiente evita la separación, que es lo que hace saltar la amplitud. Bickford señala que, si la separación nunca iba a ocurrir, una precarga mayor puede reducir la vida a fatiga debido a la tensión media superior.

¿Con qué par ocurre la inversión?

No existe un valor transferible, y citar uno sería la principal forma de usar mal estos resultados. En las probetas de aluminio de Wagle y Kato con amplitud de 15 MPa, a 1 N·m hubo fatiga mecánica en el agujero, a 3 N·m desgaste por fretting y a 8 N·m fatiga por fretting con vida decreciente. Esos valores pertenecen a ese material, espesor, holgura y carga. El par de transición también aumenta con la amplitud de tensión.

¿Significa esto que el fretting es un problema de la rosca del perno?

No en estos resultados. Las grietas estaban en la interfaz entre las dos placas, aproximadamente 1.8 a 2.1 mm por delante del agujero: en la pieza sujeta, no en el elemento de fijación. Puede haber fretting bajo una tuerca o arandela, y las interfaces roscadas pueden desgastarse con vibración y perder precarga, pero son lugares distintos del de la inversión descrita aquí.

¿Una unión de solape simple se comporta como una de solape doble?

No. Mínguez y Vogwell encontraron que las probetas de solape doble mejoraban claramente con el par, mientras que las de solape simple no mostraban una mejora significativa entre 1 y 6 N·m porque dominaba la flexión excéntrica. Si la unión es asimétrica, la flexión que induce puede importar más que la sujeción.

Referencias

• Wagle, S. & Kato, H. (2009). Ultrasonic detection of fretting fatigue damage at bolt joints of aluminium alloy plates. International Journal of Fatigue, 31, 1378–1385
• Mínguez, J. M. & Vogwell, J. (2006). Effect of torque tightening on the fatigue strength of bolted joints. Engineering Failure Analysis, 13(8), 1410–1421
• Juoksukangas, J., Lehtovaara, A. & Mäntylä, A. (2016). Applying the fretting fatigue damage parameter to bolted joints. Tribology International, 103, 440–448
• ISO 898-1 — Mechanical properties of fasteners: bolts, screws and studs (no especifica el comportamiento a fatiga)

La expresión de reparto de carga y el argumento de la separación siguen VDI 2230-1 y el capítulo 17 de Bickford. La secuencia de modos de fallo y la ubicación de las grietas proceden de las probetas de Wagle y Kato descritas arriba y son específicas de ellas; no existe un par de transición general.