El par salió de la clase de resistencia, no de su unión

Dos valores y una sola norma detrás de ambos

La ISO 898-1 tabula una carga de prueba para cada clase de resistencia y cada tamaño de rosca. Es la fuerza axial que el elemento de fijación debe soportar en un ensayo definido sin deformación permanente medible, y equivale simplemente al área resistente nominal multiplicada por una tensión que la norma asigna a esa clase. Para M12 el área resistente es de 84,3 mm², y la tabla 5 indica:

El par se relaciona con la precarga mediante un producto de la forma T = K · d · F, donde d es el diámetro nominal y K reúne todo lo relativo a la fricción y la geometría de la rosca. Si se divide cada par entre d · F_p, resulta lo siguiente:

Una sola constante reproduce ambos valores con un margen del 1 %. Esa constante no es un coeficiente de fricción: es la hipótesis de fricción que usó la tabla multiplicada por la fracción de la carga de prueba que se buscaba, y dos números no permiten separar ambos factores. Lo importante es que un único valor cubre las dos filas.

La relación lo demuestra sin ninguna hipótesis

Esta parte no necesita ningún ajuste. En la relación se cancela K, se cancela la fracción de utilización y se cancela el diámetro. Fueran cuales fueran las hipótesis de la tabla, eran las mismas en ambas filas; entre 95 y 160 lo único que cambió fue el número estampado en la cabeza.

Conviene decirlo con claridad: la unión no está en ese cálculo. Ni su material, ni su longitud de apriete, ni la rigidez de las piezas apretadas, ni la carga que soporta. Una tabla de pares indexada por clase de resistencia es una tabla de lo que aguanta el tornillo, presentada como una tabla de lo que necesita la unión.

La sustitución es segura, y el motivo es el verdadero hallazgo

Si se aprieta el 12.9 a 95 N·m con las mismas superficies y el mismo lubricante, la precarga queda muy cerca de la que obtenía el 8.8. El hilo lo explicó bien en una sola línea, con 51 puntos: el módulo de elasticidad es el mismo para ambos, así que el tornillo se alarga lo mismo con la misma tensión. El temple y revenido mueve el límite elástico y la resistencia a la tracción, no la rigidez. Un comentario anterior se había preguntado si el «efecto resorte» podía cambiar con la clase, y esa respuesta lo resuelve. Cómo se comporta ese resorte cuando llega la carga de servicio es un modelo aparte que vale la pena conocer.

Lo que sí cambió es la utilización. A 95 N·m, el 8.8 estaba en su carga de prueba; el mismo par deja al 12.9 en torno al 60 % de la suya. El tornillo trabaja holgado. Normalmente es una buena situación, y también es la parte incómoda de la respuesta, porque significa que los 160 N·m tampoco fueron nunca un requisito de la unión. Si el conjunto funcionaba con 8.8 a 95, la fila del 12.9 existe para aprovechar el tornillo, no para mantener unidas las piezas.

La precarga que se obtiene en realidad tiene una dispersión mayor de la que sugiere esta aritmética, y esa dispersión proviene del método, no de la clase: lo mal que su método de apriete controla la precarga. Qué consigue el par y qué fricción supone sin decirlo se trata en par y fuerza de apriete y en un valor de par supone una condición de fricción.

Cuatro cosas que el cambio sí modifica

Ninguna es la precarga, y conviene revisar las cuatro antes de montar las piezas.

Las dos primeras fueron la respuesta más votada del hilo, con 98 puntos, y quien la escribió tenía razón. Los compromisos de optar por una clase más alta se analizan a fondo en qué significan los números de la clase de resistencia.

La nota que la norma añade a la 12.9

La tabla 2 de la ISO 898-1 recoge los aceros admitidos y la temperatura mínima de revenido de cada clase. De la fila 12.9 cuelga una nota que no aparece en ninguna otra. Aconseja precaución cuando se considera la 12.9 y pide valorar tres aspectos: la capacidad del fabricante, las condiciones de servicio y los métodos de apriete. Termina señalando que el entorno puede causar fisuración por corrosión bajo tensión tanto en elementos de fijación sin recubrir como en los recubiertos.

Léase eso frente a la pregunta planteada. Alguien está a punto de cambiar el método de apriete de un tornillo 12.9 con el argumento de que el número de la cabeza es mayor. La norma que proporciona ese número le adjunta una nota que pide justamente que esa decisión se examine en lugar de darse por supuesta. Nada en la nota prohíbe la sustitución. Pero sí significa que la clase no es la mejora gratuita que parece.

Lo que el número de clase nunca prometió

El apartado 1 de la ISO 898-1 termina con una lista de propiedades que la norma no especifica. Son cinco, y dos de ellas son precisamente las que se cree comprar al elegir una clase más alta:

Una tabla de pares indexada por clase de resistencia se apoya, por tanto, en una magnitud que la norma que define esa clase declara no cubrir. No es una acusación: la aritmética es una primera aproximación razonable y todo el mundo la usa. Pero sí significa que el valor es de la tabla, no de la norma, y que cuando es erróneo no es la norma lo que se leyó mal.

Las dos exclusiones responden también a la forma general de la pregunta. En una unión cargada transversalmente al tornillo y no a lo largo de él, y en una unión sometida a cargas cíclicas, el cambio de clase no dice nada en ningún sentido. Buscamos una comparación publicada de la vida a fatiga entre clases de resistencia con igual precarga y no encontramos ninguna digna de citarse. Lo que el modelo axial dice sobre las cargas cíclicas está en el tornillo es un resorte, y el caso en que más par deja de ayudar se trata en más apretado no siempre dura más.

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

Pedí 8.8 y recibí 12.9. ¿Puedo montarlos con el par de la 8.8?

Mecánicamente la precarga casi no cambia, porque el par se relaciona con la precarga a través de la fricción y la geometría, y ninguno de esos términos contiene la clase de resistencia. El módulo de elasticidad es el mismo, así que el tornillo se alarga lo mismo con la misma tensión. Cuatro cosas sí cambian: el alargamiento mínimo tras la rotura baja del 12 % al 8 %, la ISO 4042 exige horneado para el 12.9 recubierto mientras que por debajo de 10.9 no exige nada, la tuerca o el agujero roscado no se han vuelto más resistentes y el marcado de la cabeza ya no coincide con el plano. Esto último es un registro de cambio, concluya lo que concluya el análisis técnico.

¿Un tornillo 12.9 se alarga menos que un 8.8 con el mismo par?

No. El temple y revenido eleva el límite elástico y la resistencia a la tracción y deja el módulo de elasticidad donde estaba, de modo que con igual tensión ambos tornillos se alargan lo mismo. Lo que aporta la clase más alta es cuánto puede estirarse antes de fluir, no con cuánta rigidez se resiste a estirarse. Esto salió en el hilo de origen, y la respuesta correcta fue la segunda.

¿De dónde sale el valor de una tabla de pares indexada por clase?

Normalmente es el área resistente nominal multiplicada por una tensión definida por la clase, por una hipótesis de fricción y por un diámetro nominal. En la tabla comentada aquí, 95 N·m en 8.8 y 160 N·m en 12.9 para M12 se reproducen con un margen del 1 % mediante una sola constante de 0,162 aplicada a las cargas de prueba de la ISO 898-1, de 48 900 N y 81 800 N. Esa constante es una hipótesis de fricción por una fracción de utilización, y dos números no permiten separarlas; la relación entre ambos pares, en cambio, no necesita ninguna hipótesis: es la relación entre las clases.

Si tengo dudas, ¿una clase de resistencia más alta es la opción segura?

Es la opción que aumenta lo que el tornillo puede soportar y reduce lo que puede absorber antes de romperse. La ISO 898-1 da un alargamiento mínimo del 12 % en 8.8 y del 8 % en 12.9, y su tabla 2 añade una advertencia solo a la 12.9: pide valorar la capacidad del fabricante, las condiciones de servicio y los métodos de apriete, y menciona la fisuración por corrosión bajo tensión. Donde la unión necesita 12.9, lo necesita. Elegirla como margen compra capacidad estática a costa de ductilidad.

¿La ISO 898-1 da pares de apriete?

No, y lo dice. El apartado 1 incluye el comportamiento par/fuerza de apriete entre las propiedades que la norma no especifica y remite a la ISO 16047 para el método de ensayo. La resistencia a la fatiga, la resistencia al corte, la soldabilidad y la resistencia a la corrosión están en la misma lista. Las tablas de pares indexadas por clase de resistencia las elaboran otros sobre la base de la norma, con sus cargas de prueba y una condición de fricción supuesta.

Referencias

• ISO 898-1:2013 — propiedades mecánicas de los elementos de fijación de acero al carbono y acero aleado; exclusiones del campo de aplicación (apartado 1), tabla 2 y su nota sobre la clase 12.9, tabla 3 filas 3 y 6, cargas de prueba de la tabla 5
• ISO 16047 — elementos de fijación, ensayo par/fuerza de apriete; el método al que remite la ISO 898-1 para la propiedad que no especifica
• ISO 4042 — elementos de fijación, sistemas de recubrimiento electrolítico; los límites de clase para la prevención de la fragilización por hidrógeno
• r/AskEngineers — el hilo donde empezó todo, con los dos valores de par y la respuesta sobre el módulo de elasticidad

La ISO 898-1:2013 se leyó en la vista previa pública en PDF, que incluye el apartado 1, la tabla 2 con todas sus notas y las tablas 3 y 5 completas; todas las cifras citadas arriba proceden de esas tablas. El par de valores 95 y 160 N·m no procede de ninguna tabla publicada que podamos nombrar. Es lo que la persona que hizo la pregunta dijo que figura en sus propios planos, por lo que la reconstrucción muestra qué par de hipótesis reproduce esos dos valores y no pretende ser el cálculo que hizo su empresa. La constante 0,162 es una hipótesis de fricción multiplicada por una fracción de utilización, y dos datos no permiten separarlas, de modo que no debe leerse como un coeficiente de fricción. El argumento de la relación no depende de nada de ello. Sobre la fatiga solo decimos que la ISO 898-1 la excluye; buscamos una comparación publicada de la vida a fatiga entre clases de resistencia con igual precarga y no encontramos ninguna que estuviéramos dispuestos a citar.