自冲铆接疲劳裂纹产生机理的研究

1、自冲铆接疲劳裂纹产生机理的研究    关键词：自冲铆接；微裂纹；裂纹扩展；疲劳强度 0引言 为了提高车辆的燃油经济性和车辆变速的快捷性，就要降低车辆重量。实现汽车轻量化的关键是在车身的制造中大量使用轻型材料，如铝合金、复合材料、高分子材料、具有表面镀层不导电有机保护层的板料等，而难于用电焊对这些材料进行良好联接1，且车辆及工程机械等机械产品所处的工况是恶劣的振动状态，疲劳失效是连接破坏的基本普遍现象，所以它的联接设计和工艺就要求更高以满足疲劳寿命和疲劳强度提高的迫切需求，虽然自冲铆接疲劳强度较点焊高，但继续提高其疲劳强度有重要的现实意义。 自冲铆接技术是

2、采用一个铆钉连接两个或更多部件的方法（见图1），它实行冲铆一次完成。半空心铆钉自冲铆接工艺的铆接过程如下：铆钉在冲头的作用下，穿透上层板料，在凹模和铆钉外形共同作用下空心铆钉尾部在下层金属中张开形成喇叭口形状2。自冲铆接除了可连接上述点焊所难于连接的材料外，自冲铆接和点焊相比还具有许多点焊所不具备的优点：能连接不同材料，能和粘接复合连接，无发光，发热少，疲劳强度较高，快捷等。 图1空心铆钉自冲铆接接头剖面图 1自冲铆接疲劳破坏方式 自冲铆接的疲劳扩展最易在铆接孔处扩展，且在宏观上裂纹扩展方向垂直于载荷方向，且裂纹宏观方向通过铆接孔中心，在裂纹扩展末期的瞬断时形成剪切唇，剪切唇与载荷成大约45o

3、，如图2（a）所示，这其实是由于强度不足所致。 （a） （b）（c） 图2自冲铆接板料的疲劳破坏 有的时候自冲铆接疲劳裂纹不在铆接孔发生，而有可能在铆接孔附近靠近铆钉头部的地方萌生和扩展，这主要由于铆钉在受载时会对板料有一个弯曲作用，如图2（b）所示。在有的时候，比如自冲铆接和粘接复合连接时，或材料缺陷情况下，疲劳萌生和扩展还可能发生在板料的其他部位，如图2（c）所示。 2自冲铆接微裂纹的产生 铆钉可用钢材或硬铝等制作，一般经热处理来适当提高其韧、硬度，这主要取决于被铆接材料特性如强度、硬度、厚度等。被铆接的材料常有钢板、铝板或铝合金、塑料、铜或铜合金、高分子材料及复合材料等，一般其硬度不能太

4、高，否则铆钉将难刺穿上板料，若采用更高硬度的铆钉，但这样铆钉在刺入板料和张开时易开裂，且增大了刺入力。 由于铆钉刺进板料时，板料内部强度、硬度、结构、相分布、原子结合力不均，晶粒、晶界性状不一等原因导致板料的铆钉孔孔壁有毛刺、微裂纹，这些将是导致自冲铆接失效的重要扩展源。 下面阐述裂纹不在铆接孔中产生的情况。金属中常见的有面心立方晶格、体心立方晶格、密排六方晶格等多种结构，它们具有多种滑移系和滑移方向，晶体是各向异性的3。在其受力时可沿着受载最大或最弱的、抗力最小的晶面和晶向滑移，在每一次滑移时晶面和晶向都有可能不同，这样就有可能导致产生侵入沟、挤出脊、晶格畸变或位错堆积等缺陷（见图3），导致

5、出现微裂纹。 （a） (b) 图3金属表面“挤出脊”和“侵入沟”4 由于材料在成形时温度高低不是很均匀、化学成分也不可能非常均匀（如钢中的碳元素）、表面和内部散热不均、化学成分偏析或偏聚也不均匀等原因，可能导致多种晶体结构同时存在，不过可能有一种或几种结构为主，况且材料一般都是含有多种元素，则原子间作用力或键的作用力将不同，其对内、外界环境和作用载荷改变而应力的变化也不同，这也将导致最薄弱处出现微裂纹；每种结构、成分的机械性能（如硬脆度、强度等）和形状、结构就不同，受载时材料内部的微观部分的受力肯定不一样（如应力集中等）；那么由以上各原因，经过反复不断的受载则位错或微裂纹将在最薄弱处发生。 一

6、般金属材料都是多晶体构成的，如果结晶时温度不太均匀、散热不均匀、冷却不均匀或其他添加元素、杂质干扰等情况，金属内可能出现两种或多种晶格，微观受载不均就位错增加而出现微裂纹。每种晶格分别存在一个个小晶体内，这样一些小晶体常排列方向各异，各小晶体间以不规则的、畸变的结构连接，形成晶界或亚晶界，晶界或亚晶界强度和硬度较高17，但其方向、排列、结构、强度等各异，且存在位错，在受到交变载荷、冲击载荷、循环载荷、受力不均匀、应力集中等情况时，由于变形不协调、不均匀或附加载荷等，相对较弱的晶界和亚晶界可能发生更大的位错，或小孔洞，甚至破裂成微裂纹；也可能因小晶体内的微观或显微局部强度不够，当载荷长时间作用时

7、，某些小缺陷就不断扩展成微裂纹，然后微裂纹经很多次扩展就穿晶破裂。        金属材料内部常有其他金属或非金属元素。如钢材中添加的碳、硅、硫、磷、铬、镍等等元素，这些元素往往固溶于基体中（如在钢材中这些元素会固溶于铁晶格中形成固溶体）或形成金属化合物等，且铝合金中可能有、S等相，铜合金中可能有、'等相，还可形成金属化合物如渗碳体等17，载荷在微观不均，位错增加，微裂纹将在薄弱处产生；由于化学成分不完全均匀，各种成分在进行物理化学变化时所处的条件也不完全毫无差别，这些相可能同时存在，且可能方向、位置及形状

8、等较为杂乱，微观受载不均，位错堆积，微裂纹将在薄弱处产生；而且比如常用的退火、正火的钢材由于化学元素是否均匀、是否偏聚偏析、热处理加热快慢、加热是否均匀、降温速度、降温是否均匀等影响可能导致材料中同时存在铁素体、珠光体、渗碳体等各种相、结构，而各种相的强度、硬度、韧性、伸长率等不一，这样当材料受到外载时，在微观中的每个相的各个部分的微观变形及受力就不一样，这使得最薄弱处出现微裂纹；且由于加温、降温等在材料内部和外部差别不一等情况，可导致材料内部应力大小不一，甚至出现有的地方是拉应力而有的地方是压应力，且可能应力大小差别较大，薄弱处也将出现微裂纹；在应力集中或局部受力超过相的强度极限等情况下，相

9、特别是其尖端可能破裂或者和相邻的相之间产生更长更宽的位错以及压破相邻的相，而后出现微裂纹；如渗碳体等硬脆相在应力集中和局部过载时易脆断，或者珠光体等较强韧相压破相邻的弱相，而出现微裂纹；以及在晶界原子结构畸变处累积位错，这样晶界处可能产生微裂纹，特别是那些局部的尖锐的板条状渗碳体；且由于金属材料成形时的相变和温度改变不均等可能造成应力集中或初始位错等。所有以上情况经反复加载就成了微裂纹。 金属中还有夹杂物如氧化物、硫化物、硅酸盐、耐火材料微末等3，可以是球形、片状、有尖角的不规则形状或有圆角的多面体形，杂质间还可以互相连通，杂质和基体的连接强度较弱，这样就把材料基体割裂了，受到一定时间载荷就形

10、成了裂纹。 金属中还可能有气孔、缩孔、有杂质等缺陷，它们中有的即使在轧制时也可能不能压合成一体。它们的形状各异，在这些缺陷边缘处材料受到一个较大弯矩作用，故容易出现微裂纹。且在这些缺陷的边缘，特别是垂直于载荷的片状裂纹尖角应力集中，则尖端容易堆积位错而塑性下降，然后撕裂成微裂纹。 对于高分子材料比如塑料，其材料成分可以含有碳、氢、氧等元素成分，可以有共价键、分子键等。分子链有长有短，有主链，有支链，分子结构各异，分子构型、构象不同3，这样材料受到疲劳载荷时载荷在键间、分子间、链间的分布可能不均，况且由于疲劳载荷做功，把机械能转化为热能，而且由于材料内外产热微小差别、散热不均、内部结构不均等可导

11、致热分布不均，且热对不同键及连接的软化、消弱等影响不均，可导致在危险处断键、分子错动、断链等情况发生，这样不断发展下去就有了微裂纹。对于有机材料中含有的杂质、气孔、缩孔等在受载时由于应力集中、气体膨胀等也易出现微裂纹。当疲劳载荷能量大，散热又差时，材料可能软化失效。 对于复合材料，它是由不同化学成分或不同组织结构材料的合成多相材料，它一般在低强度、低模量、高韧性基体材料中加高模量、高强度的增强纤维、颗粒、夹层17。基体和增强物间可能有空隙、气体、杂质等缺陷；纤维没有整个材料那么长那么宽，这样并排的纤维间由其他材料填充，纤维排列错乱，纤维还有断头，这将成微裂纹来源。以下情况也将产生受载不均、疲劳

12、强度减小、变形不协调等，使局部应力大于平均应力而出现微裂纹：颗粒间为强度、硬度等不同的基体，颗粒排列、形状等各异，增强物排列密度不均；增强物与基体强度、模量不一致，导致加载时变形不一致，有大有小；载荷对增强物的角度不一，可能有的易出现微小破坏；增强物杂乱；加载生产热、散热不均；各种成分因热消弱强度、硬度的敏感性不一；基体和增强物本身缺陷，如有微孔、气泡等。以上情况出现后，均会在长期疲劳载荷下形成微裂纹。 3自冲铆接裂纹的扩展 在自冲铆接过程中，由于材料由不同相、不同组织组成，这些微观组织、相的强度、塑性、韧性不一样，这样就容易导致铆接时在铆接孔上出现毛刺、微裂纹，况且自冲铆接的模具结构、制造误

13、差也导致自冲铆接的铆接孔会有裂纹，再说材料内部还有夹杂物、孔洞等微观缺陷，这些都将导致铆接时有裂纹。 如图2（a），在板料上下两端分别受到大小相等，方向相反的两个疲劳载荷时，由于在铆钉孔作用的分布力将对通过铆接孔中心且垂直于载荷的孔边缘产生一个弯矩，而此弯矩主要由孔边缘裂尖附近的微小区域产生承受，相对于这个微小的区域而言，弯矩较大，故疲劳裂纹容易在铆接孔中扩展。 如果微裂纹扩展不在铆钉孔中发生，而在板料的其他部位发生，如图2（b）情况，这主要是由于在板料受载时板料受到铆钉的弯曲作用，如图2（c）情况，裂纹的扩展主要是由于微裂纹产生以后，作用在微裂纹上的力将对裂尖附近的微小区域产生一个弯矩作用，

14、而这个区域很小，故相对而言弯矩较大，故裂纹在循环载荷作用下，由于损伤的累积，疲劳裂纹就会扩展。        4结语 自冲铆接的微裂纹往往在铆接孔中产生，这主要是由于材料内部微观组织性能不一致，及材料不均匀和模具的形状决定铆接孔中有毛刺和微裂纹。对于本文所述，微裂纹在铆接孔外产生的情形，往往由于材料内部的组织、相的物理和力学性能的不一致，如微观组织的微观强度、韧性和塑性等不一致造成的。 微裂纹的扩展主要是由于裂纹受到一个撕裂弯矩，且附加有拉伸力作用，而这些载荷综合作用在裂尖附近的微小区域内，故裂尖附近综合应力很大，当综合应力超过材料微观强度极限时（不同于普通意义上的强度极限，因为那个描述的是材料的平均强度极限），裂纹就扩展。在铆钉孔中分布力产生的对垂直于载荷的直径与孔边缘交点的弯矩很大，故在铆钉孔中很容易发生疲劳裂纹扩展现象。由于弯矩的力臂越来越大，弯矩就越来越大，故疲劳裂纹扩展越来越快，故疲劳