對鉚接疲勞裂紋產(chǎn)生機(jī)理的探討

楊敬玉

【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。本文對接疲勞裂紋產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了探討研究。

【關(guān)鍵詞】自沖鉚接；微裂紋；裂紋擴(kuò)展；疲勞強(qiáng)度

0.引言

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，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(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，無發(fā)光，發(fā)熱少，疲勞強(qiáng)度較高，快捷等。

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，這其實(shí)是由于強(qiáng)度不足所致。

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)會對板料有一個(gè)彎曲作用。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。

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(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時(shí)易開裂，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、晶格畸變或位錯堆積等缺陷，導(dǎo)致出現(xiàn)微裂紋。

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(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(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，但其方向、排列、結(jié)構(gòu)、強(qiáng)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(shí)，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(qiáng)度不夠，當(dāng)載荷長時(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、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α、θ、S等相，銅合金中可能有α、δ、β‘等相，還可形成金屬化合物如滲碳體等，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(jìn)行物理化學(xué)變化時(shí)所處的條件也不完全毫無差別，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(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，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)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。

3.結(jié)語

自沖鉚接的微裂紋往往在鉚接孔中產(chǎn)生，這主要是由于精品源自地理科材料內(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越大，彎矩就越來越大，故疲勞裂紋擴(kuò)展越來越快，故疲勞壽命主要由疲勞裂紋萌生壽命和小裂紋的擴(kuò)展壽命組成。