鉚接疲勞裂紋產(chǎn)生機(jī)理的研究

1、鉚接疲勞裂紋產(chǎn)生機(jī)理的研究    摘 要：自沖鉚接的微裂紋會(huì)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(huì)在非鉚接孔中產(chǎn)生，因?yàn)椴牧蟽?nèi)部微觀組織、相的強(qiáng)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(diǎn)的應(yīng)力超過(guò)此點(diǎn)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(kuò)展往往由于撕裂彎矩和拉伸載荷的共同作用造成，裂紋擴(kuò)展越來(lái)越快。自沖鉚接的壽命主要由裂紋萌生和小裂紋的擴(kuò)展組成。 關(guān)鍵詞：自沖鉚接；微裂紋；裂紋擴(kuò)展；疲勞強(qiáng)

2、度 0引言 為了提高車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性和車輛變速的快捷性，就要降低車輛重量。實(shí)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(jī)保護(hù)層的板料等，而難于用電焊對(duì)這些材料進(jìn)行良好聯(lián)接，且車輛及工程機(jī)械等機(jī)械產(chǎn)品所處的工況是惡劣的振動(dòng)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(jì)和工藝就要求更高以滿足疲勞壽命和疲勞強(qiáng)度提高的迫切需求，雖然自沖鉚接疲勞強(qiáng)度較點(diǎn)焊高，但繼續(xù)提高其疲勞強(qiáng)度有重要的現(xiàn)實(shí)意義。 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

3、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(kāi)形成喇叭口形狀。自沖鉚接除了可連接上述點(diǎn)焊所難于連接的材料外，自沖鉚接和點(diǎn)焊相比還具有許多點(diǎn)焊所不具備的優(yōu)點(diǎn)：能連接不同材料，能和粘接復(fù)合連接，無(wú)發(fā)光，發(fā)熱少，疲勞強(qiáng)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(kuò)展最易在鉚接孔處擴(kuò)展，且在宏觀上裂紋擴(kuò)展方向垂直于載荷方向，且裂紋宏觀方向通過(guò)鉚接孔中心，在裂紋擴(kuò)展末期的瞬斷時(shí)形成剪切唇，剪切唇與載荷成大約45o，如圖2（a）所示，這其實(shí)是由于強(qiáng)度不足所致。 （a） （b）（c） 圖2自沖鉚接板料的疲勞破壞 有的時(shí)候自沖鉚接疲勞裂紋不

4、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(kuò)展，這主要由于鉚釘在受載時(shí)會(huì)對(duì)板料有一個(gè)彎曲作用，如圖2（b）所示。在有的時(shí)候，比如自沖鉚接和粘接復(fù)合連接時(shí)，或材料缺陷情況下，疲勞萌生和擴(kuò)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(lái)適當(dāng)提高其韌、硬度，這主要取決于被鉚接材料特性如強(qiáng)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(kāi)時(shí)易開(kāi)裂，且增大了刺入力。 由于鉚釘刺進(jìn)板料時(shí)，

5、板料內(nèi)部強(qiáng)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(kuò)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(jiàn)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(shí)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(shí)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(cuò)堆積等缺陷（見(jiàn)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(shí)溫度高低不是很均勻、化學(xué)成分也不可能非常均勻

6、（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(shí)存在，不過(guò)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(duì)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(jī)械性能（如硬脆度、強(qiáng)度等）和形狀、結(jié)構(gòu)就不同，受載時(shí)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(guò)反復(fù)不斷的受載則位錯(cuò)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(shí)溫度不太均勻、散熱不均勻、冷卻不均勻或其他添加元素、雜質(zhì)干擾等情況，金屬內(nèi)可能出現(xiàn)兩種或多

7、種晶格，微觀受載不均就位錯(cuò)增加而出現(xiàn)微裂紋。每種晶格分別存在一個(gè)個(gè)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(qiáng)度和硬度較高17，但其方向、排列、結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度等各異，且存在位錯(cuò)，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(shí)，由于變形不協(xié)調(diào)、不均勻或附加載荷等，相對(duì)較弱的晶界和亞晶界可能發(fā)生更大的位錯(cuò)，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(qiáng)度不夠，當(dāng)載荷長(zhǎng)時(shí)間作用時(shí)，某些小缺陷就不斷擴(kuò)展成微裂紋，然后微裂紋經(jīng)很多次擴(kuò)展就穿晶破裂。 金屬材料內(nèi)部常有其他金屬或非金屬元素。如鋼材中添加的碳、硅、

8、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(huì)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(cuò)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(jìn)行物理化學(xué)變化時(shí)所處的條件也不完全毫無(wú)差別，這些相可能同時(shí)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(cuò)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)致材料中同時(shí)存在鐵素體、珠光體、滲

9、碳體等各種相、結(jié)構(gòu)，而各種相的強(qiáng)度、硬度、韌性、伸長(zhǎng)率等不一，這樣當(dāng)材料受到外載時(shí)，在微觀中的每個(gè)相的各個(gè)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(guò)相的強(qiáng)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(zhǎng)更寬的位錯(cuò)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(guò)載時(shí)易脆斷，或者珠光體等較強(qiáng)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(cuò)，這

10、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(shí)的相變和溫度改變不均等可能造成應(yīng)力集中或初始位錯(cuò)等。所有以上情況經(jīng)反復(fù)加載就成了微裂紋。 金屬中還有夾雜物如氧化物、硫化物、硅酸鹽、耐火材料微末等，可以是球形、片狀、有尖角的不規(guī)則形狀或有圓角的多面體形，雜質(zhì)間還可以互相連通，雜質(zhì)和基體的連接強(qiáng)度較弱，這樣就把材料基體割裂了，受到一定時(shí)間載荷就形成了裂紋。 金屬中還可能有氣孔、縮孔、有雜質(zhì)等缺陷，它們中有的即使在軋制時(shí)也可能不能壓合成一體。它們的形狀各異，在這些缺陷邊緣處材料受到一個(gè)較大彎矩作用，故容易出現(xiàn)微裂紋。且在這些缺陷的邊緣，特別是垂直于載荷的片狀裂紋尖角應(yīng)

11、力集中，則尖端容易堆積位錯(cuò)而塑性下降，然后撕裂成微裂紋。 對(duì)于高分子材料比如塑料，其材料成分可以含有碳、氫、氧等元素成分，可以有共價(jià)鍵、分子鍵等。分子鏈有長(zhǎng)有短，有主鏈，有支鏈，分子結(jié)構(gòu)各異，分子構(gòu)型、構(gòu)象不同，這樣材料受到疲勞載荷時(shí)載荷在鍵間、分子間、鏈間的分布可能不均，況且由于疲勞載荷做功，把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能，而且由于材料內(nèi)外產(chǎn)熱微小差別、散熱不均、內(nèi)部結(jié)構(gòu)不均等可導(dǎo)致熱分布不均，且熱對(duì)不同鍵及連接的軟化、消弱等影響不均，可導(dǎo)致在危險(xiǎn)處斷鍵、分子錯(cuò)動(dòng)、斷鏈等情況發(fā)生，這樣不斷發(fā)展下去就有了微裂紋。對(duì)于有機(jī)材料中含有的雜質(zhì)、氣孔、縮孔等在受載時(shí)由于應(yīng)力集中、氣體膨脹等也易出現(xiàn)微裂紋。當(dāng)疲勞載荷能量大，散熱又差時(shí)，材料可能軟化失效。 對(duì)于復(fù)合材料，它是由不同化學(xué)成分或不同組織結(jié)構(gòu)材料的合成多相材料，