淺談鉚接疲勞裂紋產(chǎn)生機理的研究

1、淺談鉚接疲勞裂紋產(chǎn)生機理的研究        摘 要：自沖鉚接的微裂紋會在鉚接孔中產(chǎn)生，這主要是由于材料內(nèi)部組織的不均勻性及鉚接模具的結(jié)構(gòu)、形狀造成的。疲勞裂紋還會在非鉚接孔中產(chǎn)生，因為材料內(nèi)部微觀組織、相的強度、塑性和韌性等物理力學(xué)性能不一致，在受到載荷后微觀組織變形不協(xié)調(diào)，這就導(dǎo)致在材料內(nèi)部某些點的應(yīng)力超過此點的微觀允許內(nèi)應(yīng)力，故出現(xiàn)微裂紋。微裂紋還可能由材料內(nèi)部的縮孔、縮松、夾雜和小的孔洞等引起的。微裂紋的擴展往往由于撕裂彎矩和拉伸載荷的共同作用造成，裂紋擴展越來越快。自沖鉚接的壽命主要由裂紋萌生和小裂紋的擴展組成。

2、關(guān)鍵詞：自沖鉚接；微裂紋；裂紋擴展；疲勞強度 0引言 為了提高車輛的燃油經(jīng)濟性和車輛變速的快捷性，就要降低車輛重量。實現(xiàn)汽車輕量化的關(guān)鍵是在車身的制造中大量使用輕型材料，如鋁合金、復(fù)合材料、高分子材料、具有表面鍍層不導(dǎo)電有機保護層的板料等，而難于用電焊對這些材料進行良好聯(lián)接1，且車輛及工程機械等機械產(chǎn)品所處的工況是惡劣的振動狀態(tài)，疲勞失效是連接破壞的基本普遍現(xiàn)象，所以它的聯(lián)接設(shè)計和工藝就要求更高以滿足疲勞壽命和疲勞強度提高的迫切需求，雖然自沖鉚接疲勞強度較點焊高，但繼續(xù)提高其疲勞強度有重要的現(xiàn)實意義。 自沖鉚接技術(shù)是采用一個鉚釘連接兩個或更多部件的方法（見圖1），它實行沖鉚一次完成。半空心鉚釘

3、自沖鉚接工藝的鉚接過程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金屬中張開形成喇叭口形狀。自沖鉚接除了可連接上述點焊所難于連接的材料外，自沖鉚接和點焊相比還具有許多點焊所不具備的優(yōu)點：能連接不同材料，能和粘接復(fù)合連接，無發(fā)光，發(fā)熱少，疲勞強度較高，快捷等。 圖1空心鉚釘自沖鉚接接頭剖面圖 1自沖鉚接疲勞破壞方式 自沖鉚接的疲勞擴展最易在鉚接孔處擴展，且在宏觀上裂紋擴展方向垂直于載荷方向，且裂紋宏觀方向通過鉚接孔中心，在裂紋擴展末期的瞬斷時形成剪切唇，剪切唇與載荷成大約45o，如圖2（a）所示，這其實是由于強度不足所致。 （a） （b）（c） 圖2自沖鉚接板料

4、的疲勞破壞 有的時候自沖鉚接疲勞裂紋不在鉚接孔發(fā)生，而有可能在鉚接孔附近靠近鉚釘頭部的地方萌生和擴展，這主要由于鉚釘在受載時會對板料有一個彎曲作用，如圖2（b）所示。在有的時候，比如自沖鉚接和粘接復(fù)合連接時，或材料缺陷情況下，疲勞萌生和擴展還可能發(fā)生在板料的其他部位，如圖2（c）所示。 2自沖鉚接微裂紋的產(chǎn)生 鉚釘可用鋼材或硬鋁等制作，一般經(jīng)熱處理來適當(dāng)提高其韌、硬度，這主要取決于被鉚接材料特性如強度、硬度、厚度等。被鉚接的材料常有鋼板、鋁板或鋁合金、塑料、銅或銅合金、高分子材料及復(fù)合材料等，一般其硬度不能太高，否則鉚釘將難刺穿上板料，若采用更高硬度的鉚釘，但這樣鉚釘在刺入板料和張開時易開裂，

5、且增大了刺入力。 由于鉚釘刺進板料時，板料內(nèi)部強度、硬度、結(jié)構(gòu)、相分布、原子結(jié)合力不均，晶粒、晶界性狀不一等原因?qū)е掳辶系你T釘孔孔壁有毛刺、微裂紋，這些將是導(dǎo)致自沖鉚接失效的重要擴展源。 下面闡述裂紋不在鉚接孔中產(chǎn)生的情況。金屬中常見的有面心立方晶格、體心立方晶格、密排六方晶格等多種結(jié)構(gòu)，它們具有多種滑移系和滑移方向，晶體是各向異性的。在其受力時可沿著受載最大或最弱的、抗力最小的晶面和晶向滑移，在每一次滑移時晶面和晶向都有可能不同，這樣就有可能導(dǎo)致產(chǎn)生侵入溝、擠出脊、晶格畸變或位錯堆積等缺陷（見圖3），導(dǎo)致出現(xiàn)微裂紋。 （a） (b) 圖3金屬表面“擠出脊”和“侵入溝” 由于材料在成形時溫度高

6、低不是很均勻、化學(xué)成分也不可能非常均勻（如鋼中的碳元素）、表面和內(nèi)部散熱不均、化學(xué)成分偏析或偏聚也不均勻等原因，可能導(dǎo)致多種晶體結(jié)構(gòu)同時存在，不過可能有一種或幾種結(jié)構(gòu)為主，況且材料一般都是含有多種元素，則原子間作用力或鍵的作用力將不同，其對內(nèi)、外界環(huán)境和作用載荷改變而應(yīng)力的變化也不同，這也將導(dǎo)致最薄弱處出現(xiàn)微裂紋；每種結(jié)構(gòu)、成分的機械性能（如硬脆度、強度等）和形狀、結(jié)構(gòu)就不同，受載時材料內(nèi)部的微觀部分的受力肯定不一樣（如應(yīng)力集中等）；那么由以上各原因，經(jīng)過反復(fù)不斷的受載則位錯或微裂紋將在最薄弱處發(fā)生。 一般金屬材料都是多晶體構(gòu)成的，如果結(jié)晶時溫度不太均勻、散熱不均勻、冷卻不均勻或其他添加元素、

7、雜質(zhì)干擾等情況，金屬內(nèi)可能出現(xiàn)兩種或多種晶格，微觀受載不均就位錯增加而出現(xiàn)微裂紋。每種晶格分別存在一個個小晶體內(nèi)，這樣一些小晶體常排列方向各異，各小晶體間以不規(guī)則的、畸變的結(jié)構(gòu)連接，形成晶界或亞晶界，晶界或亞晶界強度和硬度較高17，但其方向、排列、結(jié)構(gòu)、強度等各異，且存在位錯，在受到交變載荷、沖擊載荷、循環(huán)載荷、受力不均勻、應(yīng)力集中等情況時，由于變形不協(xié)調(diào)、不均勻或附加載荷等，相對較弱的晶界和亞晶界可能發(fā)生更大的位錯，或小孔洞，甚至破裂成微裂紋；也可能因小晶體內(nèi)的微觀或顯微局部強度不夠，當(dāng)載荷長時間作用時，某些小缺陷就不斷擴展成微裂紋，然后微裂紋經(jīng)很多次擴展就穿晶破裂。 金屬材料內(nèi)部常有其他金

8、屬或非金屬元素。如鋼材中添加的碳、硅、硫、磷、鉻、鎳等等元素，這些元素往往固溶于基體中（如在鋼材中這些元素會固溶于鐵晶格中形成固溶體）或形成金屬化合物等，且鋁合金中可能有、S等相，銅合金中可能有、等相，還可形成金屬化合物如滲碳體等17，載荷在微觀不均，位錯增加，微裂紋將在薄弱處產(chǎn)生；由于化學(xué)成分不完全均勻，各種成分在進行物理化學(xué)變化時所處的條件也不完全毫無差別，這些相可能同時存在，且可能方向、位置及形狀等較為雜亂，微觀受載不均，位錯堆積，微裂紋將在薄弱處產(chǎn)生；而且比如常用的退火、正火的鋼材由于化學(xué)元素是否均勻、是否偏聚偏析、熱處理加熱快慢、加熱是否均勻、降溫速度、降溫是否均勻等影響可能導(dǎo)致材料

9、中同時存在鐵素體、珠光體、滲碳體等各種相、結(jié)構(gòu)，而各種相的強度、硬度、韌性、伸長率等不一，這樣當(dāng)材料受到外載時，在微觀中的每個相的各個部分的微觀變形及受力就不一樣，這使得最薄弱處出現(xiàn)微裂紋；且由于加溫、降溫等在材料內(nèi)部和外部差別不一等情況，可導(dǎo)致材料內(nèi)部應(yīng)力大小不一，甚至出現(xiàn)有的地方是拉應(yīng)力而有的地方是壓應(yīng)力，且可能應(yīng)力大小差別較大，薄弱處也將出現(xiàn)微裂紋；在應(yīng)力集中或局部受力超過相的強度極限等情況下，相特別是其尖端可能破裂或者和相鄰的相之間產(chǎn)生更長更寬的位錯以及壓破相鄰的相，而后出現(xiàn)微裂紋；如滲碳體等硬脆相在應(yīng)力集中和局部過載時易脆斷，或者珠光體等較強韌相壓破相鄰的弱相，而出現(xiàn)微裂紋；以及在晶界原子結(jié)構(gòu)畸變處累積位錯，這樣晶界處可能產(chǎn)生微裂紋，特別是那些局部的尖銳的板條狀滲碳體；且由于金屬材料成形時的相變和溫度改變