采矿中级工程专业论文浅析SPR联接疲劳失效的研究
发布时间：2015-01-19
摘要：自冲铆接疲劳过程包括疲劳裂纹萌生、裂纹扩展和疲劳断裂等几个大的阶段。由于疲劳裂纹扩展占了自冲铆接大部分寿命，本文主要探讨了自冲铆接疲劳裂纹扩展的机理。对于连接中没有细观缺陷的地方，疲劳微观裂纹都是由不均匀的局部滑移、裂隙和显微开裂等引起的，然后经过裂纹扩展后达到疲劳失效;有缺陷的地方也可直接经裂纹扩展后最终疲劳失效，自冲铆接的疲劳扩展往往在铆接孔上发生。提出了提高疲劳强度的方法，对工程实践具有一定的指导性。
关键词：自冲铆接;微裂纹;裂纹扩展;疲劳强度
1引言
自冲铆接技术是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[1][2]。
汽车、工程机械的工况往往都处在恶劣的振动状态，故要求各种板料的连接疲劳强度要高。研究显示，在静态测试中点焊连接的强度要比自冲铆接(SPR)联接大，然而在疲劳测试中SPR连接性能要好得多。在106次的循环里，SPR联接疲劳强度是点焊连接强度的2倍[3]。粘接自冲铆接的组合对疲劳强度有更明显的提高作用[4]。由机械的工况决定，对自冲铆接的疲劳失效研究及继续提高其疲劳强度仍具有很强的理论和工程意义。
2裂纹的产生、扩展和材料的断裂
自冲铆接的裂纹往往在铆接的孔中产生，这主要由于材料内部各种组织、相的强度、塑性、韧性等物理和机械性能不一样造成的，且铆接模具的结构、形状也造成铆接孔中有毛刺、裂纹。
对于内部有缺陷材料以及铆接和粘接复合连接的情况，微裂纹也可以在非铆接孔中产生，这主要还是由于材料内部组织、相的强度、塑性和韧性等力学和物理不一致，受到载荷时材料相关组织和相关相变形不协调造成材料内部不均匀的局部滑移、裂隙和显微开裂等。材料内部的缩孔、缩松、夹杂物和孔洞等也是微裂纹的来源。
自冲铆接往往在通过铆钉中心且近似垂直于载荷的方向扩展，但除了要考虑复合载荷的影响外，还要考虑材料的不均匀性、材料缺陷、尺寸变化、强度和硬度不均匀等影响，故裂纹可能不通过铆接孔就出现铆钉破坏等情况。
在形成微裂纹后有的会钝化停止扩展，有的会停一段时间又接着扩展，有的扩展为主裂纹，有的和其他的裂纹连通形成更大的裂纹，一般垂直于或近似垂直于载荷且尖端锐利的裂纹很危险、易扩展，而裂纹长度方向和受载荷方向相同的裂纹不易扩展，而且裂纹往往向易扩展方向优先扩展，故裂纹长度方向会转向垂直于载荷方向。
图2(a)、(b)中F为裂纹受到的作用在上下板料的疲劳载荷，其值可正可负，F为正时微裂纹张开，此时是最容易扩展的，裂纹受压力时，裂纹闭合，位错随着增加。图2(b)中微裂纹左右两端的裂尖应力集中，其实裂尖附近的一个区间内除了受到一个拉压应力外还受到一个相当与撕裂力矩的作用，在裂尖的小区间处由于复合受载而且塑性变形的范围较小，这就是为什么裂纹在裂尖处容易扩展的原因，这也是应力集中的形成原因。因结构、材质或性能等其他原因导致的应力集中往往可能由于在应力集中处的载荷是复合的，如拉压载荷附加了剪切、弯等载荷造成的，且在尺寸变化等情况下的结构型应力集中往往有变形不均匀、不协调等原因引起的应力增加，且在尺寸变小的部位有因受力面积减小而导致应力增大的因素(如在自冲铆接的板料中有冲孔、板料边缘有缺口和尺寸大小有变化及等情况)。在力矩作用的裂尖附近的微小局部材料达到了材料的屈服强度，首先开始屈服强化，随着疲劳载荷值的周期性或非周期性的增大，材料未达到其平均强度极限，材料微观局部原子、相或键间作用力达到极限值，则产生不恢复的位错，宏观上材料慢慢出现裂尖的扩展。弯矩和力臂、力都成正比，故随着裂纹在近似垂直于载荷方向的增长(也与材质相关)，裂纹的扩展速度也增大。
图3(a)中，在受到疲劳载荷的情况下，裂纹的宏观扩展方向垂直于载荷，这主要是由于在通过孔的中心并垂直于载荷的部位受到的弯矩最大，并且这个弯矩主要作用于上述部位靠近孔边缘的部分，在这个弯矩并附加拉伸力作用下，裂纹将较快扩展，且扩展速度越来越快，因为作用于裂尖的弯矩的力臂越来越大，则弯矩越来越大。在疲劳载荷作用下，由于疲劳损伤的累积，铆钉还可能与板料松脱。
对于图3(b)，这相当于空心铆钉圆柱部分的受力简图，此图显示的是带有裂纹的铆钉的受载情况，F1为下板料的周向约束力示意，在受到上板料F力时，在其或正或负时，裂纹或张或闭，裂纹除了受到F的剪应力，还受到附加撕裂弯矩作用(由于微裂纹与F载荷矢量方向有距离)，且裂纹较尖时塑性区更小，裂尖抗撕裂弯矩的力臂就相对较小，裂纹更易在铆钉的横截面方向扩展。F为正时裂纹扩展，为负时裂纹塑性区的位错也加多、加大，则塑性变差，且位错损伤累积，有助于F为正时裂纹扩展，到裂纹扩展到铆钉极限一定的时候铆钉就可能疲劳断裂，或和其他地方扩展来的裂纹相连而破坏，特别是裂纹易在铆钉圆柱表面形成和扩展，铆钉表面在铆接时易出现裂纹，这主要由于铆接时铆钉要刺穿板料，且铆钉在铆接过程尾部要扩张等塑性变形，塑性过程就可能出现裂纹，铆钉热处理时也易因应力集中出现裂纹等。因表面上的弯矩应力和拉压等作用下应力形成的复合应力最大，且对于图4的两个示意图，由于其微裂纹的所在的位置不在载荷的正对面，故受到的复合应力较小，微裂纹较不易扩展。
3提高自冲铆接疲劳强度的措施
要减缓疲劳微裂纹产生、扩展和瞬断就要注意考虑以下这些情况：适当提高材料的强韧性;热处理时注意材料硬度、强度、韧度等均匀一致性;提高晶界或亚晶界强度;减少复合应力的集中;减少材料中不均匀杂质;减少材料中的有害元素或物质如氢、硫等;提高材料的晶格一致性及强度;提高晶粒的强韧性，如间隙固溶强化晶粒等;细化晶粒使裂纹扩展的变形能、路径长度和晶界数量等增大;提高铆钉和模具的加工精度(使达到自冲铆接时精冲的效果)及粗糙度;合理得出铆钉及铆接间距和铆接个数使疲劳强度最大;控制自冲铆接冲压力及模具、铆钉形状，使铆接头预压紧力适当;提高自冲铆接工艺，比如使上下板料放置的顺序合理等;自冲铆接与粘接等方法结合;适当提高相的强韧性、分布均匀性和优化形状、分布;改变脆硬相，如控制其机械性能、形状、数量和分布等;减少材料初始微裂纹缺陷;减少应力、电化学腐蚀等缺陷，如可用表面处理等;避免高温;防腐蚀、防潮;尽量减少或减缓尺寸变化;减少材料在轧辊前杂质偏聚、缩松、缩孔、空洞，使轧制后少出现轧不合、不成一体现象;使材料内部各成分均匀，从而达到力学性能不要相差过大;减少成分偏析、偏聚等导致的应力集中;防止高分子材料软化，如对高分子等材料隔热和散热等措施等。
4结语
裂纹往往在铆接孔上扩展，并且往往在宏观上疲劳扩展方向通过铆接孔中心，并垂直于载荷，当板料强度不足时裂纹方向和载荷方向会成45o，即形成剪切唇。
有时疲劳裂纹也会不在铆钉孔中产生，比如当铆接与粘接复合联接时。自冲铆接的疲劳裂纹的萌生和扩展往往优先向材料的微观局部强度(如抗拉强度、剪切强度等)最弱的方向进行，材料的疲劳强度低于其强度极限(甚至是大大低于)是由于材料内部往往有缺陷，如孔洞、杂质、裂纹，材料有形状突变等，以及由于材料有多种成分构成、微观成分形状不一、成分分布不均、结构变化、有多种晶格结构、有多种相组成、分子或原子间连接力及分布不一、微观局部变形大小不一、有复合载荷、变形不均匀或不协调等，那么在材料内部虽然没有达到材料平均强度极限(即通常说的强度极限)，那么在微观局部已达到材料的强度极限，且加载时裂纹时张时闭，导致尖端位错堆积等微观损伤累积，裂纹就在局部载荷超过某点强度极限的地方扩展，这就导致疲劳极限低于强度极限。疲劳裂纹在多处萌生和扩展，再连接在一起的疲劳破坏方式将使疲劳寿命较大减少。
参考文献：
[1] 陈兴茂，黄志超，康少伟.自冲铆接疲劳失效机理的研究概况[J].华东交通大学学报，2008(3):106-110.
[2] 黄志超.板料连接技术进展[J].锻压技术,2006(4):119-120.
[3] A.R.Krause,R.A.Chernenkoff. A comparative study of the fatigue behavior of spot-welded and mechanically fastened aluminum joints [C]. Society of Automotive Engineers, SAE Paper No. 50710, Soc. of Automotive Engineers, 1995.
