spr联接疲劳失效的研究

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1、SPR联接疲劳失效的研究：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

2、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

3、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。　　自冲铆接往往在通过铆钉中心且近似垂直于载荷

4、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

5、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

6、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。　　微裂纹扩展条件：τechanicallyfastenedaluminumjoints[C].SocietyofAutomotiveEngineers,SAEPaper

7、No.50710,Soc.ofAutomotiveEngineers,1995.　　[4]XinSun*,Elizabeth.V.Stephen,Moe.A.Khal-eel.Fatiguebehavio　　rsofself-piercingrivetsjoiningsimilaranddissimilarsheetmetalsInternationalJournalofFatigue2006.