鉚接疲勞裂紋產生機理的研究

1、鉚接疲勞裂紋產生機理的研究    摘 要：自沖鉚接的微裂紋會在鉚接孔中產生，這主要是由于材料內部組織的不均勻性及鉚接模具的結構、形狀造成的。疲勞裂紋還會在非鉚接孔中產生，因為材料內部微觀組織、相的強度、塑性和韌性等物理力學性能不一致，在受到載荷后微觀組織變形不協(xié)調，這就導致在材料內部某些點的應力超過此點的微觀允許內應力，故出現(xiàn)微裂紋。微裂紋還可能由材料內部的縮孔、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。 關鍵詞：自沖鉚接；微裂紋；裂紋擴展；疲勞強

2、度 0引言 為了提高車輛的燃油經濟性和車輛變速的快捷性，就要降低車輛重量。實現(xiàn)汽車輕量化的關鍵是在車身的制造中大量使用輕型材料，如鋁合金、復合材料、高分子材料、具有表面鍍層不導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，且車輛及工程機械等機械產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。半空心鉚釘自沖鉚接工藝的鉚接過程如下：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自沖鉚接板料的疲勞破壞 有的時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生 鉚釘可用鋼材或硬鋁等制作，一般經熱處理來適當提高其韌、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，且增大了刺入力。 由于鉚釘刺進板料時，

5、板料內部強度、硬度、結構、相分布、原子結合力不均，晶粒、晶界性狀不一等原因導致板料的鉚釘孔孔壁有毛刺、微裂紋，這些將是導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構，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，這樣就有可能導致產生侵入溝、擠出脊、晶格畸變或位錯堆積等缺陷（見圖3），導致出現(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低不是很均勻、化學成分也不可能非常均勻

6、（如鋼中的碳元素）、表面和內部散熱不均、化學成分偏析或偏聚也不均勻等原因，可能導致多種晶體結構同時存在，不過可能有一種或幾種結構為主，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、外界環(huán)境和作用載荷改變而應力的變化也不同，這也將導致最薄弱處出現(xiàn)微裂紋；每種結構、成分的機械性能（如硬脆度、強度等）和形狀、結構就不同，受載時材料內部的微觀部分的受力肯定不一樣（如應力集中等）；那么由以上各原因，經過反復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成的，如果結晶時溫度不太均勻、散熱不均勻、冷卻不均勻或其他添加元素、雜質干擾等情況，金屬內可能出現(xiàn)兩種或多

7、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，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、畸變的結構連接，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、結構、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、應力集中等情況時，由于變形不協(xié)調、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；也可能因小晶體內的微觀或顯微局部強度不夠，當載荷長時間作用時，某些小缺陷就不斷擴展成微裂紋，然后微裂紋經很多次擴展就穿晶破裂。 金屬材料內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生；由于化學成分不完全均勻，各種成分在進行物理化學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生；而且比如常用的退火、正火的鋼材由于化學元素是否均勻、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致材料中同時存在鐵素體、珠光體、滲

9、碳體等各種相、結構，而各種相的強度、硬度、韌性、伸長率等不一，這樣當材料受到外載時，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、降溫等在材料內部和外部差別不一等情況，可導致材料內部應力大小不一，甚至出現(xiàn)有的地方是拉應力而有的地方是壓應力，且可能應力大小差別較大，薄弱處也將出現(xiàn)微裂紋；在應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；以及在晶界原子結構畸變處累積位錯，這

10、樣晶界處可能產生微裂紋，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不均等可能造成應力集中或初始位錯等。所有以上情況經反復加載就成了微裂紋。 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，雜質間還可以互相連通，雜質和基體的連接強度較弱，這樣就把材料基體割裂了，受到一定時間載荷就形成了裂紋。 金屬中還可能有氣孔、縮孔、有雜質等缺陷，它們中有的即使在軋制時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

11、力集中，則尖端容易堆積位錯而塑性下降，然后撕裂成微裂紋。 對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，可以有共價鍵、分子鍵等。分子鏈有長有短，有主鏈，有支鏈，分子結構各異，分子構型、構象不同，這樣材料受到疲勞載荷時載荷在鍵間、分子間、鏈間的分布可能不均，況且由于疲勞載荷做功，把機械能轉化為熱能，而且由于材料內外產熱微小差別、散熱不均、內部結構不均等可導致熱分布不均，且熱對不同鍵及連接的軟化、消弱等影響不均，可導致在危險處斷鍵、分子錯動、斷鏈等情況發(fā)生，這樣不斷發(fā)展下去就有了微裂紋。對于有機材料中含有的雜質、氣孔、縮孔等在受載時由于應力集中、氣體膨脹等也易出現(xiàn)微裂紋。當疲勞載荷能量大，散熱又差時，材料可能軟化失效。 對于復合材料，它是由不同化學成分或不同組織結構材料的合成多相材料，