鋁鋼膠鉚接頭疲勞特性與失效機(jī)理研究

郭亞濤， 許 莎，邢彥峰， 吳海峰， 陸 瑤

(上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院， 上海 201620)

近年來由于環(huán)保意識(shí)增強(qiáng)和輕量化結(jié)構(gòu)需求的提高，鋁/鋼薄板混合連接的應(yīng)用越來越廣泛，對(duì)異種材料的連接要求日益增加[1]。由于鋁合金和雙相鋼的熔點(diǎn)等物理特性差異較大，因此，很難通過傳統(tǒng)焊接工藝形成有效連接[2]。膠接和自沖鉚接可部分代替?zhèn)鹘y(tǒng)焊接，但膠接接頭易老化且剝離性能差；自沖鉚接技術(shù)疲勞強(qiáng)度高、抗剝離性能較優(yōu)，能快速實(shí)現(xiàn)各種材料的有效連接[3]。

為提高自沖鉚接頭連接強(qiáng)度和疲勞性能的可靠性，許多學(xué)者將自沖鉚接和膠接技術(shù)相結(jié)合進(jìn)行研究。國(guó)外學(xué)者F. Heidarpour等[4]通過試驗(yàn)研究膠層中不同形狀和大小的三維缺陷對(duì)單搭粘接接頭極限剪切強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明接頭強(qiáng)度隨著缺陷面積的增大近似線性下降。Lukas等[5]通過數(shù)值模擬模擬了鋁合金膠鉚混合連接的過程，仿真結(jié)果表明接頭的橫截面和力-位移曲線與試驗(yàn)結(jié)果相差不大。Ali B等[6]通過有限元的方法模擬了異種板材的鉚接過程，指出了鉚接過程可能出現(xiàn)的斷裂形式。Huang等[7]通過試驗(yàn)制備不同厚度鋁鋼薄板金屬制成的自沖鉚接頭，以研究接頭疲勞性能，分析了接頭相互接觸區(qū)域的失效機(jī)理，還進(jìn)行了疲勞壽命預(yù)測(cè)的研究。Harish等[8]通過對(duì)碳纖維與鋁合金的自沖鉚接頭進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)鉚釘平整度對(duì)接頭的準(zhǔn)靜態(tài)失效載荷和疲勞壽命沒有顯著影響，而鉚釘腿部直徑對(duì)接頭疲勞壽命影響較大。Moraes等[9]通過有限元法分析了AA6111和AA5754自沖鉚接頭接觸壓力和疲勞斷裂機(jī)制的關(guān)系，指出接頭磨損嚴(yán)重區(qū)域?yàn)楦邏毫佑|面，并利用LEFM模型預(yù)測(cè)了接頭微動(dòng)損傷區(qū)域的疲勞壽命。

國(guó)內(nèi)學(xué)者蘭鳳崇等[10]通過數(shù)值模擬對(duì)鋁鎂薄板膠接接頭應(yīng)力分布及強(qiáng)度進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)膠層厚度方向上的剪切應(yīng)力和Von-Mises等效應(yīng)力變化趨勢(shì)基本保持一致，鎂合金側(cè)面到鋁合金側(cè)面應(yīng)力呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)。劉洋等[11]通過試驗(yàn)對(duì)5052鋁合金薄板與Q215薄板的膠鉚接頭進(jìn)行了剝離試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)粘接劑對(duì)接頭成型質(zhì)量的影響較大，并且提高了接頭緩沖吸震能力。劉曉東等[12]通過試驗(yàn)研究了膠鉚接頭拉伸-剪切力學(xué)性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)鉚釘尺寸和粘膠劑種類對(duì)接頭斷裂形式有影響。黃志超等[13]通過試驗(yàn)制備了自沖鉚接、膠接和膠鉚復(fù)合連接3種接頭，研究結(jié)構(gòu)膠對(duì)鋁鋼自沖鉚接頭靜力學(xué)的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著搭接距離增加，膠鉚復(fù)合接頭強(qiáng)度隨著搭接距離的增加而逐漸減小，且膠鉚接頭中膠層承受了主要載荷。張先煉等[14]通過試驗(yàn)研究了TA1/AL1420鋁鋰合金自沖鉚接頭的疲勞特性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)接頭的疲勞萌生部位均在接頭磨損最嚴(yán)重的區(qū)域，接頭磨損是影響疲勞壽命的一個(gè)重要因素。

從國(guó)內(nèi)外研究來看，目前主要是通過數(shù)值模擬和試驗(yàn)的方法，對(duì)自沖鉚接的工藝參數(shù)、連接強(qiáng)度和疲勞損傷等方面進(jìn)行研究，在膠鉚混合接頭疲勞特性和接頭磨損方面的研究較少。課題組通過對(duì)雙相鋼DP780/鋁合金6061-T6膠鉚接頭進(jìn)行正交試驗(yàn)，得出較優(yōu)參數(shù)組合。使用優(yōu)化后的工藝參數(shù)組合制備膠鉚接頭進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，研究接頭的疲勞壽命特性，并利用SEM和EDS對(duì)比分析了鉚接和膠鉚接頭下板斷口的微觀形貌和微動(dòng)磨損。

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

本研究所使用材料為雙相鋼DP780、鋁合金薄板6061-T6和結(jié)構(gòu)膠(Araldite2015)。2種薄板板材與結(jié)構(gòu)膠的力學(xué)性能[15-17]如表1所示。

通過文獻(xiàn)[18]可知鋁/鋼自沖鉚接-膠接的堆疊順序?yàn)殇X板在下和鋼板在上時(shí)，接頭質(zhì)量較好。鋁/鋼膠鉚接頭搭接示意圖如圖1所示。其中L為搭接寬度，上板為雙相鋼DP780，下板為鋁合金6061-T6。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式可得[19]：鉚釘長(zhǎng)度為6.0 mm，模具內(nèi)徑為9.0 mm，磨具深度為2.0 mm。

圖1 鋁/鋼薄板膠鉚接頭幾何尺寸Figure 1 Geometry of aluminum/steel sheet rubber riveted joint

1.2 試驗(yàn)方案

由于工藝參數(shù)很大程度上決定了膠鉚接頭力學(xué)性能。因此，課題組根據(jù)鉚接壓強(qiáng)、鋁板厚度、搭接寬度和鋁板表面粗糙度4個(gè)工藝參數(shù)試制膠鉚接頭。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)分析，課題組所用鉚接壓強(qiáng)為210 MPa，鋼板厚度為1.5 mm，鋁板厚度為2.0 mm，搭接寬度為30.0 mm，鋁板表面粗糙度0.042 3 mm。

使用優(yōu)化后的工藝參數(shù)組合制備膠鉚接頭，接頭的中、高周疲勞試驗(yàn)均在MTS Landmark 100 電液伺服試驗(yàn)機(jī)上實(shí)行，疲勞試驗(yàn)機(jī)如圖2所示。通過拉剪試驗(yàn)獲得膠鉚接頭的失效載荷為6.0 kN。為了使膠鉚接頭載荷水平F-疲勞循環(huán)次數(shù)N曲線擬合的更加準(zhǔn)確，課題組通過疲勞試驗(yàn)獲得接頭中、長(zhǎng)壽命區(qū)的疲勞數(shù)據(jù)，即疲勞循環(huán)次數(shù)在104～106數(shù)量級(jí)。課題組先以失效載荷的50%(3.0 kN)作為膠鉚接頭疲勞載荷水平，獲得接頭平均疲勞壽命為84 063次。進(jìn)一步確定膠鉚接頭在疲勞載荷水平為60%失效載荷(3.6 kN)、40%失效載荷(2.4 kN)和30%失效載荷(1.8 kN)時(shí)的疲勞壽命。

圖2 MTS Landmark 100液壓伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)Figure 2 MTS Landmark 100 hydraulic servo fatigue testing machine

為了對(duì)比鉚接接頭和膠鉚接頭之間的疲勞性能差異，用優(yōu)化后的工藝參數(shù)組合制備了鉚接接頭，對(duì)鉚接接頭施加50%失效載荷(3.0 kN)。每組疲勞載荷水平測(cè)試4個(gè)試樣，采取應(yīng)力比為0.1，負(fù)荷施加頻率為70 Hz的正弦波載荷進(jìn)行拉-剪疲勞試驗(yàn)。疲勞試驗(yàn)以接頭出現(xiàn)明顯的相對(duì)位移或循環(huán)次數(shù)達(dá)到100萬作為疲勞試驗(yàn)終止的條件。

2 疲勞試驗(yàn)結(jié)果與失效機(jī)理分析

2.1 疲勞試驗(yàn)結(jié)果

通過疲勞試驗(yàn)獲得膠鉚接頭在各載荷水平下的疲勞壽命如表2所示，鉚接接頭50%失效載荷(3.0 kN)載荷水平下平均循環(huán)次數(shù)為39 596，而膠鉚接頭50%失效載荷(3.0 kN)載荷水平下平均循環(huán)次數(shù)為84 063。對(duì)比2種接頭的疲勞壽命，膠鉚復(fù)合接頭比鉚接接頭的疲勞壽命顯著提高。膠接和鉚接技術(shù)的結(jié)合使接頭疲勞壽命大幅提高，可知結(jié)構(gòu)可膠緩解接頭應(yīng)力集中現(xiàn)象和改善受力狀況。

表2 各載荷水平下接頭疲勞試驗(yàn)結(jié)果

課題組通過最小二乘法[20]對(duì)膠鉚接頭的疲勞數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，可以獲得膠鉚接頭載荷水平-疲勞循環(huán)次數(shù)(F-N)曲線，為保證載荷與疲勞循環(huán)次數(shù)之間的線性關(guān)系，課題組使用單對(duì)數(shù)坐標(biāo)。其載荷水平-循環(huán)次數(shù)之間關(guān)系表達(dá)式有：

lgN=a+bF。

(1)

式中：a和b為常量。

(2)

(3)

式中：F為疲勞循環(huán)載荷，N為疲勞循環(huán)次數(shù)，i為載荷水平編號(hào)。

通過計(jì)算得到鋁/鋼膠鉚接頭的載荷-疲勞壽命(F-N)擬合曲線方程的統(tǒng)計(jì)量如表3所示。其中R平方值是回歸平方和占總平方和的比例，R是擬合優(yōu)度指標(biāo)。R范圍為0～1，其越靠近1表明擬合度越高。課題組在0.05的水平下調(diào)整后的R為0.959，表明對(duì)接頭F-N曲線擬合度很高，能夠較好的表明接頭疲勞數(shù)據(jù)點(diǎn)的變化趨勢(shì)。

表3 膠鉚接頭F-N曲線擬合統(tǒng)計(jì)量

綜上可知膠鉚接頭F-N曲線擬合方程為

F=8.685-1.174lgN。

(4)

從表2可知，膠鉚接頭滑移量與載荷水平成正比，隨著載荷水平增大而增大。在3.0 kN載荷水平下，膠鉚接頭與鉚接接頭相比滑移量相對(duì)較小，由于結(jié)構(gòu)膠和鉚接自鎖結(jié)構(gòu)的結(jié)合，接頭的受力狀況得到改善，接頭疲勞性能更加優(yōu)異和穩(wěn)定。如圖3所示，上下2條曲線為疲勞測(cè)試過程中試件軸向位移與疲勞周次曲線的包絡(luò)線，其中上邊的曲線為峰值載荷對(duì)應(yīng)的軸向位移，下邊的曲線為峰谷載荷對(duì)應(yīng)的軸向位移，2條曲線之間的距離為接頭軸向相對(duì)滑移量。在疲勞測(cè)試過程中，膠鉚接頭和鉚接接頭的滑移量基本保持不變，這一區(qū)間內(nèi)的疲勞壽命占總壽命的90%以上。這與疲勞裂紋的萌生和裂紋擴(kuò)展占總疲勞壽命絕大部分有很好的關(guān)聯(lián)性，最后的裂紋快速擴(kuò)展階段發(fā)生在最后少數(shù)的疲勞循環(huán)周期中。

圖3 2種接頭疲勞測(cè)試過程中相對(duì)位移變化Figure 3 Relative displacement changes of two joints during fatigue test

如圖4所示，在膠鉚接頭中高疲勞壽命區(qū)間內(nèi)，載荷水平與疲勞壽命的對(duì)數(shù)呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的聯(lián)系。當(dāng)載荷為1.8 kN時(shí)，膠鉚接頭疲勞壽命達(dá)到106數(shù)量級(jí)，通過擬合公式可計(jì)算出載荷水平為1.2 kN時(shí)，疲勞循環(huán)次數(shù)超過200萬，即可認(rèn)為接頭為無限疲勞壽命。

圖4 膠鉚接頭載荷-疲勞循環(huán)次數(shù)曲線Figure 4 Load-fatigue cycle times curve of rubber riveted joint

2.2 失效機(jī)理

鉚接接頭和膠鉚接頭在50%失效載荷水平下的典型失效模式如圖5所示，2種接頭均為板材遠(yuǎn)端鉚釘腳處斷裂，斷裂面垂直疲勞載荷方向，膠鉚接頭膠層失效模式為混合失效。課題組采用掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)2種接頭疲勞失效斷口進(jìn)行微觀分析，并且2種接頭掃描位置相同，其位置如圖5(a)中4個(gè)虛線方框所示。

圖5 接頭典型疲勞失效模式Figure 5 Typical fatigue failure modes of joints

圖6所示為膠鉚接頭下板斷口處4個(gè)不同區(qū)域的微觀形貌特征，圖6(c)為區(qū)域3的微觀形貌圖，其斷口區(qū)域形貌有明顯的魚鱗狀紋路與韌窩的混合特征，可知此區(qū)域?yàn)榱鸭y快速擴(kuò)展區(qū)。圖6(b)為區(qū)域2的微觀形貌特征圖，可以觀察到解理臺(tái)階和二次裂紋，根據(jù)微觀形貌特征可判斷此區(qū)域?yàn)槠谠?。圖6(a)為膠鉚接頭斷口區(qū)域1微觀形貌，此區(qū)域出現(xiàn)明顯的魚鱗紋路與韌窩混合的特征，可判斷此區(qū)域?yàn)槠诹鸭y擴(kuò)展區(qū)。圖6(d)為區(qū)域4的SEM圖，區(qū)域4為韌窩形貌，此形貌是典型的韌性斷口特性，可知此區(qū)域?yàn)轫g性斷裂區(qū)。通過上面分析，可知膠鉚接頭疲勞裂紋形成于區(qū)域2，并向區(qū)域1和3擴(kuò)展，由于區(qū)域3結(jié)構(gòu)薄弱，此方向裂紋擴(kuò)展速度較快，區(qū)域1結(jié)構(gòu)較厚，可以承受更大的疲勞載荷，因此區(qū)域1疲勞裂紋擴(kuò)展較慢。區(qū)域4為韌性斷裂區(qū)，即區(qū)域1疲勞斷裂后，區(qū)域4在疲勞載荷作用下快速被撕裂，膠鉚接頭在疲勞斷裂過程中，一側(cè)為疲勞斷裂，一側(cè)為韌性快速斷裂。

圖6 膠鉚接頭典型疲勞斷口微觀形貌Figure 6 Typical fatigue fracture microstructure of rubber riveted joint

圖7(c)所示為鉚接接頭區(qū)域3的疲勞斷口微觀形貌特征，其與膠鉚接頭的區(qū)域2形貌特征相同，均為解理臺(tái)階和二次裂紋混合出現(xiàn)，即鉚接接頭的區(qū)域3為疲勞初始裂紋位置。圖7(b)所示為鉚接接頭區(qū)域2，此區(qū)域微觀形貌特征為魚鱗狀紋路,可知區(qū)域2為裂紋擴(kuò)展區(qū)。根據(jù)膠鉚接頭疲勞斷口微觀形貌分析分析可知，鉚接接頭區(qū)域1和區(qū)域4分別為裂紋擴(kuò)展區(qū)和韌性斷裂區(qū)。由以上對(duì)2種接頭的疲勞斷口微觀形貌分析可知，鉚接接頭的疲勞初始裂紋萌生位置在接頭下板與鉚釘腳尖接觸的部位，裂紋向強(qiáng)度薄弱的一側(cè)擴(kuò)展，另一側(cè)在應(yīng)力集中的情況下被快速撕裂。由于膠鉚接頭中使用了結(jié)構(gòu)膠，改變接頭受力狀況，減小了下板與鉚釘腳處的接觸應(yīng)力，疲勞初始裂紋萌生位置出現(xiàn)在強(qiáng)度更大的區(qū)域2，致使整個(gè)接頭疲勞壽命得以提高。

圖7 鉚接接頭典型疲勞斷口微觀形貌Figure 7 Typical fatigue fracture microstructure of riveted joint

為了進(jìn)一步研究膠鉚接頭和鉚接接頭受力狀況的區(qū)別，課題組采用X射線能譜儀(EDS)對(duì)圖8中的方框區(qū)域A和B進(jìn)行定量能譜檢測(cè)。圖8所示分別為膠鉚接頭和鉚接接頭下板斷口能譜檢測(cè)區(qū)域。

圖8 接頭下板斷口能譜分析區(qū)域Figure 8 Fracture energy spectrum analysis area of lower plate of joint

圖9與圖10分別為鉚接接頭和膠鉚接頭下板能譜分析區(qū)域，兩圖中黑色方框?qū)?yīng)圖8中的方框的上、中、下3個(gè)區(qū)域，分別對(duì)3個(gè)區(qū)域的磨屑元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行定量分析。

圖9 鉚接接頭下板能譜點(diǎn)掃描分析區(qū)域Figure 9 Energy spectrum point scanning analysis area of lower plate of riveted joint

圖10 膠鉚接頭下板能譜點(diǎn)掃描分析區(qū)域Figure 10 Energy spectrum point scanning analysis area of lower plate of rubber riveted joint

課題組在鉚接接頭B區(qū)域選取上、中、下3個(gè)點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)能譜分析，分別對(duì)應(yīng)的譜圖編號(hào)為18，19和20。在疲勞試驗(yàn)中，該區(qū)域與鉚釘腿緊密貼合，通過檢測(cè)此區(qū)域的磨屑，可得知鋁板和鉚釘腿接觸面之間的受力狀況。鉚接接頭B區(qū)域能譜分析如圖11所示，課題組所使用鉚釘為鍍鋅合金鋼，其中Fe元素來自鉚釘，Zn元素來鉚釘外表鍍層，Al和Mg元素來自鋁合金板材，O元素主要來自微量磨屑的氧化物。從元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布來看，F(xiàn)e和Zn元素在區(qū)域B中18和20號(hào)譜圖2個(gè)點(diǎn)區(qū)域質(zhì)量分?jǐn)?shù)比譜圖19高，說明區(qū)域B的上部和下部位磨損嚴(yán)重，中間部位摩擦損傷相對(duì)較小。譜圖18為靠近鉚釘腳尖區(qū)域，說明鉚釘腳尖處有劇烈的摩擦損傷，較多的磨屑意味著較大的應(yīng)力和滑動(dòng)位移。譜圖20區(qū)域?yàn)樯习搴拖掳褰佑|區(qū)域，說明在疲勞測(cè)試過程中上、下板之間也存在著較為嚴(yán)重的磨損。

圖11 鉚接接頭B區(qū)域元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)能譜分析Figure 11 Energy spectrum analysis of element mass fraction in area B of riveted joint

膠鉚接頭區(qū)域A選取上、中、下3個(gè)點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)能譜分析，分別對(duì)應(yīng)圖譜編號(hào)為21，22和23。膠鉚接頭區(qū)域A能譜分析如圖12所示，膠鉚接頭區(qū)域A的22號(hào)譜圖的Fe元素和Zn元素明顯高于21和23號(hào)譜圖，說明膠鉚接頭的鉚釘腳處應(yīng)力減小，上下板的微動(dòng)磨損也得以改善。通過與鉚接接頭的EDS結(jié)果對(duì)比分析可知，膠層改善了接頭受力狀況，使鉚釘腳尖處的應(yīng)力與上下板接觸之間的磨損減小，使鉚接接頭受力最大的部位由上部的18號(hào)譜圖位置轉(zhuǎn)移到中部的19號(hào)譜圖位置。結(jié)合兩種接頭SEM分析可知，鉚接接頭的鉚釘腳尖處應(yīng)力大且磨損嚴(yán)重，疲勞裂紋初始萌生部位出現(xiàn)下板與鉚釘腳尖接觸面的位置，鉚釘腳尖處的下板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度薄弱，以致鉚接接頭疲勞壽命降低。膠接和鉚接技術(shù)的結(jié)合使接頭受力狀況得到改善。

3 結(jié)論

課題組通過膠接和鉚接技術(shù)的結(jié)合，利用試驗(yàn)研究膠鉚接頭的不同載荷下的疲勞壽命及接頭接觸摩擦損傷。

1) 膠鉚接頭在失效載荷30%，40%，50%和60%的疲勞載荷水平下，膠鉚接頭疲勞循環(huán)次數(shù)隨著疲勞載荷水平的增加而減少，且在50%疲勞載荷水平下，膠鉚接頭疲勞壽命比鉚接接頭顯著提高。

2) 在50%疲勞載荷水平下，膠鉚接頭與鉚接接頭斷口失效模式均為一側(cè)發(fā)生疲勞斷裂后，另一側(cè)緊跟著發(fā)生快速的韌性斷裂。

3) 根據(jù)對(duì)2種接頭的斷口微觀形貌和各區(qū)域元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)分析，發(fā)現(xiàn)膠鉚接頭與鉚接接頭的疲勞初始裂紋萌生位置不同，膠接技術(shù)和鉚接技術(shù)的結(jié)合，改善了接頭受力狀況，使得膠鉚接頭比鉚接接頭擁有更優(yōu)的疲勞性能。