SPR聯(lián)接疲勞失效的研究

1、SPR聯(lián)接疲勞失效的研究    核心提示：摘要：自沖鉚接疲勞過(guò)程包括疲勞裂紋萌生、裂紋擴(kuò)展和疲勞斷裂等幾個(gè)大的階段。由于疲勞裂紋擴(kuò)展占了自沖鉚接大部分壽命，本文主要探討了自沖鉚接疲勞裂紋擴(kuò)展的機(jī)理。對(duì)于連接中沒(méi)有細(xì)觀缺陷的地方，疲勞微觀裂紋都是由不均勻的局部滑移、裂隙和顯微開(kāi)裂等引起的，然后經(jīng)過(guò)裂紋擴(kuò)展后達(dá)到疲勞失效；有缺陷的地方也可直接經(jīng).             摘要：自沖鉚接疲勞過(guò)程包括疲勞裂紋萌生、裂紋擴(kuò)展和疲勞斷裂等幾個(gè)大的階

2、段。由于疲勞裂紋擴(kuò)展占了自沖鉚接大部分壽命，本文主要探討了自沖鉚接疲勞裂紋擴(kuò)展的機(jī)理。對(duì)于連接中沒(méi)有細(xì)觀缺陷的地方，疲勞微觀裂紋都是由不均勻的局部滑移、裂隙和顯微開(kāi)裂等引起的，然后經(jīng)過(guò)裂紋擴(kuò)展后達(dá)到疲勞失效；有缺陷的地方也可直接經(jīng)裂紋擴(kuò)展后最終疲勞失效，自沖鉚接的疲勞擴(kuò)展往往在鉚接孔上發(fā)生。提出了提高疲勞強(qiáng)度的方法，對(duì)工程實(shí)踐具有一定的指導(dǎo)性。 關(guān)鍵詞：自沖鉚接；微裂紋；裂紋擴(kuò)展；疲勞強(qiáng)度 1引言 自沖鉚接技術(shù)是采用一個(gè)鉚釘連接兩個(gè)或更多部件的方法（見(jiàn)圖1），它實(shí)行沖鉚一次完成。半空心鉚釘自沖鉚接工藝的鉚接過(guò)程如下：鉚釘在沖頭的作用下，穿透上層板料，在凹模和鉚釘外形共同作用下空心鉚釘尾部在下層

3、金屬中張開(kāi)形成喇叭口形狀12。 汽車、工程機(jī)械的工況往往都處在惡劣的振動(dòng)狀態(tài)，故要求各種板料的連接疲勞強(qiáng)度要高。研究顯示，在靜態(tài)測(cè)試中點(diǎn)焊連接的強(qiáng)度要比自沖鉚接（SPR）聯(lián)接大，然而在疲勞測(cè)試中SPR連接性能要好得多。在106次的循環(huán)里，SPR聯(lián)接疲勞強(qiáng)度是點(diǎn)焊連接強(qiáng)度的2倍3。粘接自沖鉚接的組合對(duì)疲勞強(qiáng)度有更明顯的提高作用4。由機(jī)械的工況決定，對(duì)自沖鉚接的疲勞失效研究及繼續(xù)提高其疲勞強(qiáng)度仍具有很強(qiáng)的理論和工程意義。 2裂紋的產(chǎn)生、擴(kuò)展和材料的斷裂 自沖鉚接的裂紋往往在鉚接的孔中產(chǎn)生，這主要由于材料內(nèi)部各種組織、相的強(qiáng)度、塑性、韌性等物理和機(jī)械性能不一樣造成的，且鉚接模具的結(jié)構(gòu)、形狀也造成鉚接

4、孔中有毛刺、裂紋。 對(duì)于內(nèi)部有缺陷材料以及鉚接和粘接復(fù)合連接的情況，微裂紋也可以在非鉚接孔中產(chǎn)生，這主要還是由于材料內(nèi)部組織、相的強(qiáng)度、塑性和韌性等力學(xué)和物理不一致，受到載荷時(shí)材料相關(guān)組織和相關(guān)相變形不協(xié)調(diào)造成材料內(nèi)部不均勻的局部滑移、裂隙和顯微開(kāi)裂等。材料內(nèi)部的縮孔、縮松、夾雜物和孔洞等也是微裂紋的來(lái)源。 自沖鉚接往往在通過(guò)鉚釘中心且近似垂直于載荷的方向擴(kuò)展，但除了要考慮復(fù)合載荷的影響外，還要考慮材料的不均勻性、材料缺陷、尺寸變化、強(qiáng)度和硬度不均勻等影響，故裂紋可能不通過(guò)鉚接孔就出現(xiàn)鉚釘破壞等情況。 在形成微裂紋后有的會(huì)鈍化停止擴(kuò)展，有的會(huì)停一段時(shí)間又接著擴(kuò)展，有的擴(kuò)展為主裂紋，有的和其他的

5、裂紋連通形成更大的裂紋，一般垂直于或近似垂直于載荷且尖端銳利的裂紋很危險(xiǎn)、易擴(kuò)展，而裂紋長(zhǎng)度方向和受載荷方向相同的裂紋不易擴(kuò)展，而且裂紋往往向易擴(kuò)展方向優(yōu)先擴(kuò)展，故裂紋長(zhǎng)度方向會(huì)轉(zhuǎn)向垂直于載荷方向。 圖2（a）、（b）中F為裂紋受到的作用在上下板料的疲勞載荷，其值可正可負(fù)，F(xiàn)為正時(shí)微裂紋張開(kāi)，此時(shí)是最容易擴(kuò)展的，裂紋受壓力時(shí)，裂紋閉合，位錯(cuò)隨著增加。圖2（b）中微裂紋左右兩端的裂尖應(yīng)力集中，其實(shí)裂尖附近的一個(gè)區(qū)間內(nèi)除了受到一個(gè)拉壓應(yīng)力外還受到一個(gè)相當(dāng)與撕裂力矩的作用，在裂尖的小區(qū)間處由于復(fù)合受載而且塑性變形的范圍較小，這就是為什么裂紋在裂尖處容易擴(kuò)展的原因，這也是應(yīng)力集中的形成原因。因結(jié)構(gòu)、材

6、質(zhì)或性能等其他原因?qū)е碌膽?yīng)力集中往往可能由于在應(yīng)力集中處的載荷是復(fù)合的，如拉壓載荷附加了剪切、彎等載荷造成的，且在尺寸變化等情況下的結(jié)構(gòu)型應(yīng)力集中往往有變形不均勻、不協(xié)調(diào)等原因引起的應(yīng)力增加，且在尺寸變小的部位有因受力面積減小而導(dǎo)致應(yīng)力增大的因素（如在自沖鉚接的板料中有沖孔、板料邊緣有缺口和尺寸大小有變化及等情況）。在力矩作用的裂尖附近的微小局部材料達(dá)到了材料的屈服強(qiáng)度，首先開(kāi)始屈服強(qiáng)化，隨著疲勞載荷值的周期性或非周期性的增大，材料未達(dá)到其平均強(qiáng)度極限，材料微觀局部原子、相或鍵間作用力達(dá)到極限值，則產(chǎn)生不恢復(fù)的位錯(cuò)，宏觀上材料慢慢出現(xiàn)裂尖的擴(kuò)展。彎矩和力臂、力都成正比，故隨著裂紋在近似垂直于載

7、荷方向的增長(zhǎng)（也與材質(zhì)相關(guān)），裂紋的擴(kuò)展速度也增大。 微裂紋擴(kuò)展條件：walow或walow （1） alow和alow-微觀局部允許剪切和正應(yīng)力極限 圖3自沖孔和空心鉚釘邊緣裂紋模型示意圖 圖3（a）中，在受到疲勞載荷的情況下，裂紋的宏觀擴(kuò)展方向垂直于載荷，這主要是由于在通過(guò)孔的中心并垂直于載荷的部位受到的彎矩最大，并且這個(gè)彎矩主要作用于上述部位靠近孔邊緣的部分，在這個(gè)彎矩并附加拉伸力作用下，裂紋將較快擴(kuò)展，且擴(kuò)展速度越來(lái)越快，因?yàn)樽饔糜诹鸭獾膹澗氐牧Ρ墼絹?lái)越大，則彎矩越來(lái)越大。在疲勞載荷作用下，由于疲勞損傷的累積，鉚釘還可能與板料松脫。 對(duì)于圖3（b），這相當(dāng)于空心鉚釘圓柱部分的受力簡(jiǎn)圖，

8、此圖顯示的是帶有裂紋的鉚釘?shù)氖茌d情況，F(xiàn)1為下板料的周向約束力示意，在受到上板料F力時(shí)，在其或正或負(fù)時(shí)，裂紋或張或閉，裂紋除了受到F的剪應(yīng)力，還受到附加撕裂彎矩作用（由于微裂紋與F載荷矢量方向有距離），且裂紋較尖時(shí)塑性區(qū)更小，裂尖抗撕裂彎矩的力臂就相對(duì)較小，裂紋更易在鉚釘?shù)臋M截面方向擴(kuò)展。F為正時(shí)裂紋擴(kuò)展，為負(fù)時(shí)裂紋塑性區(qū)的位錯(cuò)也加多、加大，則塑性變差，且位錯(cuò)損傷累積，有助于F為正時(shí)裂紋擴(kuò)展，到裂紋擴(kuò)展到鉚釘極限一定的時(shí)候鉚釘就可能疲勞斷裂，或和其他地方擴(kuò)展來(lái)的裂紋相連而破壞，特別是裂紋易在鉚釘圓柱表面形成和擴(kuò)展，鉚釘表面在鉚接時(shí)易出現(xiàn)裂紋，這主要由于鉚接時(shí)鉚釘要刺穿板料，且鉚釘在鉚接過(guò)程尾部

9、要擴(kuò)張等塑性變形，塑性過(guò)程就可能出現(xiàn)裂紋，鉚釘熱處理時(shí)也易因應(yīng)力集中出現(xiàn)裂紋等。因表面上的彎矩應(yīng)力和拉壓等作用下應(yīng)力形成的復(fù)合應(yīng)力最大，且對(duì)于圖4的兩個(gè)示意圖，由于其微裂紋的所在的位置不在載荷的正對(duì)面，故受到的復(fù)合應(yīng)力較小，微裂紋較不易擴(kuò)展。 3提高自沖鉚接疲勞強(qiáng)度的措施 要減緩疲勞微裂紋產(chǎn)生、擴(kuò)展和瞬斷就要注意考慮以下這些情況：適當(dāng)提高材料的強(qiáng)韌性；熱處理時(shí)注意材料硬度、強(qiáng)度、韌度等均勻一致性；提高晶界或亞晶界強(qiáng)度；減少?gòu)?fù)合應(yīng)力的集中；減少材料中不均勻雜質(zhì)；減少材料中的有害元素或物質(zhì)如氫、硫等；提高材料的晶格一致性及強(qiáng)度；提高晶粒的強(qiáng)韌性，如間隙固溶強(qiáng)化晶粒等；細(xì)化晶粒使裂紋擴(kuò)展的變形能、路

10、徑長(zhǎng)度和晶界數(shù)量等增大；提高鉚釘和模具的加工精度（使達(dá)到自沖鉚接時(shí)精沖的效果）及粗糙度；合理得出鉚釘及鉚接間距和鉚接個(gè)數(shù)使疲勞強(qiáng)度最大；控制自沖鉚接沖壓力及模具、鉚釘形狀，使鉚接頭預(yù)壓緊力適當(dāng)；提高自沖鉚接工藝，比如使上下板料放置的順序合理等；自沖鉚接與粘接等方法結(jié)合；適當(dāng)提高相的強(qiáng)韌性、分布均勻性和優(yōu)化形狀、分布；改變脆硬相，如控制其機(jī)械性能、形狀、數(shù)量和分布等；減少材料初始微裂紋缺陷；減少應(yīng)力、電化學(xué)腐蝕等缺陷，如可用表面處理等；避免高溫；防腐蝕、防潮；盡量減少或減緩尺寸變化；減少材料在軋輥前雜質(zhì)偏聚、縮松、縮孔、空洞，使軋制后少出現(xiàn)軋不合、不成一體現(xiàn)象；使材料內(nèi)部各成分均勻，從而達(dá)到力學(xué)

11、性能不要相差過(guò)大；減少成分偏析、偏聚等導(dǎo)致的應(yīng)力集中；防止高分子材料軟化，如對(duì)高分子等材料隔熱和散熱等措施等。 4結(jié)語(yǔ) 裂紋往往在鉚接孔上擴(kuò)展，并且往往在宏觀上疲勞擴(kuò)展方向通過(guò)鉚接孔中心，并垂直于載荷，當(dāng)板料強(qiáng)度不足時(shí)裂紋方向和載荷方向會(huì)成45o，即形成剪切唇。 有時(shí)疲勞裂紋也會(huì)不在鉚釘孔中產(chǎn)生，比如當(dāng)鉚接與粘接復(fù)合聯(lián)接時(shí)。自沖鉚接的疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展往往優(yōu)先向材料的微觀局部強(qiáng)度（如抗拉強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度等）最弱的方向進(jìn)行，材料的疲勞強(qiáng)度低于其強(qiáng)度極限（甚至是大大低于）是由于材料內(nèi)部往往有缺陷，如孔洞、雜質(zhì)、裂紋，材料有形狀突變等，以及由于材料有多種成分構(gòu)成、微觀成分形狀不一、成分分布不均、結(jié)構(gòu)

12、變化、有多種晶格結(jié)構(gòu)、有多種相組成、分子或原子間連接力及分布不一、微觀局部變形大小不一、有復(fù)合載荷、變形不均勻或不協(xié)調(diào)等，那么在材料內(nèi)部雖然沒(méi)有達(dá)到材料平均強(qiáng)度極限（即通常說(shuō)的強(qiáng)度極限），那么在微觀局部已達(dá)到材料的強(qiáng)度極限，且加載時(shí)裂紋時(shí)張時(shí)閉，導(dǎo)致尖端位錯(cuò)堆積等微觀損傷累積，裂紋就在局部載荷超過(guò)某點(diǎn)強(qiáng)度極限的地方擴(kuò)展，這就導(dǎo)致疲勞極限低于強(qiáng)度極限。疲勞裂紋在多處萌生和擴(kuò)展，再連接在一起的疲勞破壞方式將使疲勞壽命較大減少。 參考文獻(xiàn)： 1 陳興茂，黃志超，康少偉.自沖鉚接疲勞失效機(jī)理的研究概況J.華東交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2008（3）:106-110. 2 黃志超.板料連接技術(shù)進(jìn)展J.鍛壓技術(shù),2006（4）:119-120. 3 A.R.Krause,R.A.Chernenkoff. A comparative study of the fatigue behavior of spot-welded and mechanically fastened aluminum joints C. Society of Automotive Engineers, SAE Paper No. 50710, Soc. of Automotive Engineers, 1995. 4 XinSun*,Elizabeth.V.Stephen,Moe.A.Kha