1、自沖鉚接疲勞裂紋產(chǎn)生機(jī)理的研究    關(guān)鍵詞：自沖鉚接；微裂紋；裂紋擴(kuò)展；疲勞強(qiáng)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1，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

2、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金屬中張開(kāi)形成喇叭口形狀2。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

3、，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

4、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)，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3。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

5、出現(xiàn)微裂紋。 （a） (b) 圖3金屬表面“擠出脊”和“侵入溝”4 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（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

6、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)

7、，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、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

8、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

9、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3，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

10、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)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3，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)

11、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，它一般在低強(qiáng)度、低模量、高韌性基體材料中加高模量、高強(qiáng)度的增強(qiáng)纖維、顆粒、夾層17。基體和增強(qiáng)物間可能有空隙、氣體、雜質(zhì)等缺陷；纖維沒(méi)有整個(gè)材料那么長(zhǎng)那么寬，這樣并排的纖維間由其他材料填充，纖維排列錯(cuò)亂，纖維還有斷頭，這將成微裂紋來(lái)源。以下情況也將產(chǎn)生受載不均、疲勞

12、強(qiáng)度減小、變形不協(xié)調(diào)等，使局部應(yīng)力大于平均應(yīng)力而出現(xiàn)微裂紋：顆粒間為強(qiáng)度、硬度等不同的基體，顆粒排列、形狀等各異，增強(qiáng)物排列密度不均；增強(qiáng)物與基體強(qiáng)度、模量不一致，導(dǎo)致加載時(shí)變形不一致，有大有小；載荷對(duì)增強(qiáng)物的角度不一，可能有的易出現(xiàn)微小破壞；增強(qiáng)物雜亂；加載生產(chǎn)熱、散熱不均；各種成分因熱消弱強(qiáng)度、硬度的敏感性不一；基體和增強(qiáng)物本身缺陷，如有微孔、氣泡等。以上情況出現(xiàn)后，均會(huì)在長(zhǎng)期疲勞載荷下形成微裂紋。 3自沖鉚接裂紋的擴(kuò)展 在自沖鉚接過(guò)程中，由于材料由不同相、不同組織組成，這些微觀組織、相的強(qiáng)度、塑性、韌性不一樣，這樣就容易導(dǎo)致鉚接時(shí)在鉚接孔上出現(xiàn)毛刺、微裂紋，況且自沖鉚接的模具結(jié)構(gòu)、制造誤

13、差也導(dǎo)致自沖鉚接的鉚接孔會(huì)有裂紋，再說(shuō)材料內(nèi)部還有夾雜物、孔洞等微觀缺陷，這些都將導(dǎo)致鉚接時(shí)有裂紋。 如圖2（a），在板料上下兩端分別受到大小相等，方向相反的兩個(gè)疲勞載荷時(shí)，由于在鉚釘孔作用的分布力將對(duì)通過(guò)鉚接孔中心且垂直于載荷的孔邊緣產(chǎn)生一個(gè)彎矩，而此彎矩主要由孔邊緣裂尖附近的微小區(qū)域產(chǎn)生承受，相對(duì)于這個(gè)微小的區(qū)域而言，彎矩較大，故疲勞裂紋容易在鉚接孔中擴(kuò)展。 如果微裂紋擴(kuò)展不在鉚釘孔中發(fā)生，而在板料的其他部位發(fā)生，如圖2（b）情況，這主要是由于在板料受載時(shí)板料受到鉚釘?shù)膹澢饔茫鐖D2（c）情況，裂紋的擴(kuò)展主要是由于微裂紋產(chǎn)生以后，作用在微裂紋上的力將對(duì)裂尖附近的微小區(qū)域產(chǎn)生一個(gè)彎矩作用，

14、而這個(gè)區(qū)域很小，故相對(duì)而言彎矩較大，故裂紋在循環(huán)載荷作用下，由于損傷的累積，疲勞裂紋就會(huì)擴(kuò)展。        4結(jié)語(yǔ) 自沖鉚接的微裂紋往往在鉚接孔中產(chǎn)生，這主要是由于材料內(nèi)部微觀組織性能不一致，及材料不均勻和模具的形狀決定鉚接孔中有毛刺和微裂紋。對(duì)于本文所述，微裂紋在鉚接孔外產(chǎn)生的情形，往往由于材料內(nèi)部的組織、相的物理和力學(xué)性能的不一致，如微觀組織的微觀強(qiáng)度、韌性和塑性等不一致造成的。 微裂紋的擴(kuò)展主要是由于裂紋受到一個(gè)撕裂彎矩，且附加有拉伸力作用，而這些載荷綜合作用在裂尖附近的微小區(qū)域內(nèi)，故裂尖附近綜合應(yīng)力很大，當(dāng)綜合應(yīng)力超過(guò)材料微觀強(qiáng)度極限時(shí)（不同于普通意義上的強(qiáng)度極限，因?yàn)槟莻€(gè)描述的是材料的平均強(qiáng)度極限），裂紋就擴(kuò)展。在鉚釘孔中分布力產(chǎn)生的對(duì)垂直于載荷的直徑與孔邊緣交點(diǎn)的彎矩很大，故在鉚釘孔中很容易發(fā)生疲勞裂紋擴(kuò)展現(xiàn)象。由于彎矩的力臂越來(lái)越大，彎矩就越來(lái)越大，故疲勞裂紋擴(kuò)展越來(lái)越快，故疲勞