工程科学学报，第40卷，第4期：478-484,2018年4月 Chinese Journal of Engineering,Vol.40,No.4:478-484,April 2018 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2018.04.011:http://journals.ustb.edu.cn 钛铝异质自冲铆接头疲劳性能及失效机理 刘洋，何晓聪，张先炼 昆明理工大学机电工程学院，昆明650500 ☒通倍作者，E-mail:xiaocong_hc@126.com 摘要对纯钛(TA1)和铝锂合金(AL1420)异质单搭自冲铆接头进行静力学实验和疲劳实验研究，通过三参数经验公式采 用S一V曲线拟合法绘制接头的S一V曲线，分析接头的疲劳性能：采用扫描电子显微镜对接头疲劳断口进行观测，研究接头的 微观疲劳失效机理.结果表明：接头的静力学性能与疲劳性能不具有一致性，TA1一AL1420(TA)接头静力学性能更优，但其疲 劳性能比AL1420-TA1(AT)接头差：TA接头疲劳失效形式为下板断裂，疲劳裂纹萌生于靠近铆钉脚处的板材区域，随后沿着 板宽方向扩展，最终导致下板完全断裂.AT接头在短寿命区因铆钉断裂失效，铆钉的断口属于脆性疲劳断裂：在中长寿命区 出现铆钉新裂和下板断裂的混合失效形式，疲劳裂纹从下板一端萌生，沿着板宽向另一端方向扩展，导致下板断裂失效 关键词自冲铆：AL1420铝锂合金：TA1纯钛：疲劳特性：扫描电子显微镜 分类号TG405 Fatigue properties and failure mechanisms of self-piercing riveted joints in titanium and aluminum alloy dissimilar sheets LIU Yang,HE Xiao-cong,ZHANG Xian-ian Faculty of Mechanical and Electrical Engineering,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500,China Corresponding author,E-mail:xiaocong_he@126.com ABSTRACT A static test and fatigue test of dissimilar single-lap self-piercing riveted joints were conducted for pure titanium (TAl) and aluminum-lithium alloy (ALl420).The fatigue performance of the joints was analyzed on the basis of the S-N curves:specifical- ly,a fitting method was used to construct the S-N curves of the joints using three empirical parameters.Scanning electron microscopy was used to study the fatigue fracture surfaces of the joints and the microfatigue failure mechanism of the joints.The results indicate that the static performance and fatigue characteristics of the joints are inconsistent:the TAl-AL1420(TA)joint exhibits better static performance,whereas its fatigue characteristics are worse than those of the ALl420-TAl (AT)joint.The fatigue failure mode of the TA joint for the lower sheet is fracture:the fatigue crack appears in the sheet area around the rivet tail and extends along the width of the sheet,leading to complete fracture of the lower sheet.The loss of efficacy of the AT joint in the short-ife region is related to frac- ture failure of the rivet,which exhibits brittle fatigue fracture.A mixed failure mode of rivet fracture and lower sheet fracture occurs in the middle-ong life region,and a fatigue crack appears from one side of the lower sheet,extends along the width of the sheet to the other direction,and eventually lead to the failure of the lower sheet. KEY WORDS self-piercing riveting:AL1420 aluminum-ithium alloys:TAl pure titanium:fatigue property:scanning electron mi- croscopy 随着环境污染和全球能源危机问题日益严重，车身轻量化对汽车节能减排具有重要意义，也顺应 收稿日期：2017-0605 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51565023)
工程科学学报，第 40 卷，第 4 期: 478--484，2018 年 4 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 40，No． 4: 478--484，April 2018 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2018． 04． 011; http: / /journals． ustb． edu． cn 钛铝异质自冲铆接头疲劳性能及失效机理 刘 洋，何晓聪，张先炼 昆明理工大学机电工程学院，昆明 650500 通信作者，E-mail: xiaocong_he@ 126． com 摘 要 对纯钛( TA1) 和铝锂合金( AL1420) 异质单搭自冲铆接头进行静力学实验和疲劳实验研究，通过三参数经验公式采 用 S--N 曲线拟合法绘制接头的 S--N 曲线，分析接头的疲劳性能; 采用扫描电子显微镜对接头疲劳断口进行观测，研究接头的 微观疲劳失效机理． 结果表明: 接头的静力学性能与疲劳性能不具有一致性，TA1--AL1420( TA) 接头静力学性能更优，但其疲 劳性能比 AL1420--TA1( AT) 接头差; TA 接头疲劳失效形式为下板断裂，疲劳裂纹萌生于靠近铆钉脚处的板材区域，随后沿着 板宽方向扩展，最终导致下板完全断裂． AT 接头在短寿命区因铆钉断裂失效，铆钉的断口属于脆性疲劳断裂; 在中长寿命区 出现铆钉断裂和下板断裂的混合失效形式，疲劳裂纹从下板一端萌生，沿着板宽向另一端方向扩展，导致下板断裂失效． 关键词 自冲铆; AL1420 铝锂合金; TA1 纯钛; 疲劳特性; 扫描电子显微镜 分类号 TG405 收稿日期: 2017--06--05 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 51565023) Fatigue properties and failure mechanisms of self-piercing riveted joints in titanium and aluminum alloy dissimilar sheets LIU Yang，HE Xiao-cong ，ZHANG Xian-lian Faculty of Mechanical and Electrical Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650500，China Corresponding author，E-mail: xiaocong_he@ 126． com ABSTＲACT A static test and fatigue test of dissimilar single-lap self-piercing riveted joints were conducted for pure titanium ( TA1) and aluminum--lithium alloy ( AL1420) ． The fatigue performance of the joints was analyzed on the basis of the S--N curves; specifically，a fitting method was used to construct the S--N curves of the joints using three empirical parameters． Scanning electron microscopy was used to study the fatigue fracture surfaces of the joints and the microfatigue failure mechanism of the joints． The results indicate that the static performance and fatigue characteristics of the joints are inconsistent: the TA1--AL1420( TA) joint exhibits better static performance，whereas its fatigue characteristics are worse than those of the AL1420--TA1( AT) joint． The fatigue failure mode of the TA joint for the lower sheet is fracture; the fatigue crack appears in the sheet area around the rivet tail and extends along the width of the sheet，leading to complete fracture of the lower sheet． The loss of efficacy of the AT joint in the short-life region is related to fracture failure of the rivet，which exhibits brittle fatigue fracture． A mixed failure mode of rivet fracture and lower sheet fracture occurs in the middle-long life region，and a fatigue crack appears from one side of the lower sheet，extends along the width of the sheet to the other direction，and eventually lead to the failure of the lower sheet． KEY WOＲDS self-piercing riveting; AL1420 aluminum-lithium alloys; TA1 pure titanium; fatigue property; scanning electron microscopy 随着环境污染和全球能源危机问题日益严重， 车身轻量化对汽车节能减排具有重要意义，也顺应
刘洋等：钛铝异质自冲铆接头疲劳性能及失效机理 ·479· 汽车发展的潮流.大量研究表明，汽车自重每下降 (AL1420),尺寸均为110mm×20mm×1.5mm,板 10%油耗下降6%~8%污染物排放下降4%C02 材力学性能参数如表1所示.采用德国Bollhoff公 排放下降13%：车重减少100kg,每升油可多行驶1 司生产的自冲铆接设备(RIVSET VARIO-FC km.汽车轻量化会减小动力和动力传动系统的负 (MTF))制备TA1一AL1420单搭自冲铆接头和 荷，可在较低的牵引负荷下表现出同样或更好的性 AL1420-TA1单搭自冲铆接头，各组接头编号如表2 能.而汽车车身重量大约占整车重量的40%，车身 所示.实验所用铆钉为6mm长的半空心铆钉，接头 轻量化对于整车轻量化而言效果显著习.因此，大 尺寸见图1，每组各制备25个试件 量轻金属应用于汽车结构设计制造中.钛及铝锂合 表1板材力学性能参数 金具有密度小，比强度高，良好的耐热性能和耐腐蚀 Table 1 Mechanical properties of sheet materials 性，在汽车及航空航天制造业中得到广泛应用B- 屈服强度/ 弹性模量/ 抗拉强度/ 伸长率/ 用传统连接方式连接轻合金板材时接头可靠性差， 材料 MPa GPa MPa % 甚至无法实现其有效连接：自冲铆接作为一种薄板 TAl 396.8 98.5 402.5 33.0 材料连接新技术，在连接新轻型合金、复合材料等难焊 AL1420 294.9 69.0 364.6 14.2 接薄板材料方面有着无可替代的地位5- 表2接头编号 近年来，国内外学者对自冲铆接技术做了相关 Table 2 Number of joints 研究.卢毅等阁研究了局部热处理对钢一钛组合自 接头编号 上板 下板 冲铆接头力学性能的影响，得出淬火处理提高了接 TA TAI AL1420 头的静强度.Chung与Kim对l.5mm厚的 AT AL1420 TAI AA5052铝合金和冷轧碳钢板(SPCC)组合自冲铆接 下板 铆钉 上板 垫片 头进行实验研究，结果表明SPCC-AA5052接头的 静强度大于AA5052-SPCC接头，但其疲劳强度小 于AA5052-SPCC接头.Zhao等o研究了基板厚度 对AA5052铝合金自冲铆接头疲劳性能及微动行为 20 的影响，得出接头疲劳寿命在低疲劳载荷下受板厚 110 影响较大，接头疲劳寿命随板厚增加而增长.Gay 图1接头尺寸（单位：nm) 等m研究了铆钉形状、温度等因素对铝合金(AA5182- Fig.I Dimensions of the joints (unit:mm) O)和玻璃纤维增强热塑性复合材料(PA6.6-GF50, 1.2力学性能实验 PA6.6GF63)异质组合自冲铆接头疲芳性能的影响， 力学性能测试在MTS Landmark1000电液伺服材 研究表明复合材料的种类会显著影响自冲铆接头疲劳 料试验机上进行.静力学实验中，为降低由于不对 极限值.邓成江等回研究了铜一铝合金异质自冲铆接 中所产生的扭矩，在试件两端夹持尺寸为25mm× 头疲劳性能，并对接头疲劳裂纹扩展类型进行分析. 20mm×1.5mm的垫片：设定拉伸速率为5mm· 钛和铝锂合金因其特有的优异性能被广泛应用 min-.从各组25个接头中随机选取10个进行10 于航空航天和汽车制造业中，相对于传统连接技术， 次重复性拉伸一剪切实验 自冲铆接在连接异种金属板材方面具有明显的优 依据静力学实验所得的静失效载荷均值，将剩 势.目前对钛合金自冲铆接头疲劳性能的研究还相 余15个接头用于疲劳性能测试实验.疲劳实验中 对较少.本文以TA1纯钛和AL1420铝锂合金异质自 设置应力比R=0.1,频率f=10Hz;在拉-拉模式下 冲铆接头为研究对象，对两组接头进行静力学实验和 施加正弦波形载荷；试件两端加持尺寸为25mm× 疲劳实验，研究上下板组合方式对接头疲劳强度的影 20mm×1.5mm的垫片；依据预疲劳实验结果，分别 响，并分析了接头疲劳失效机理及微动磨损机理，以期 以TA1-AL1420(TA)和AL1420-TA1(AT)接头静 为新轻型合金在工程实际中的应用提供相关参考. 失效载荷均值的50%、30%、18%和60%、35%、 1实验 25%作为对应的疲劳载荷水平，且每个载荷水平下 均测试3个试件；此外，将疲劳循环次数超过200万 1.1试件制备 或试件出现明显裂纹作为该试件的失效判据.接头 实验所用板材为纯钛板(TA1)和铝锂合金板 疲劳失效试件如图2所示
刘 洋等: 钛铝异质自冲铆接头疲劳性能及失效机理 汽车发展的潮流． 大量研究表明，汽车自重每下降 10 !，油耗下降 6 !～ 8 !，污染物排放下降 4 !，CO2 排放下降 13% ; 车重减少 100 kg，每升油可多行驶 1 km． 汽车轻量化会减小动力和动力传动系统的负 荷，可在较低的牵引负荷下表现出同样或更好的性 能． 而汽车车身重量大约占整车重量的 40% ，车身 轻量化对于整车轻量化而言效果显著［1--2］． 因此，大 量轻金属应用于汽车结构设计制造中． 钛及铝锂合 金具有密度小，比强度高，良好的耐热性能和耐腐蚀 性，在汽车及航空航天制造业中得到广泛应用［3--4］． 用传统连接方式连接轻合金板材时接头可靠性差， 甚至无法实现其有效连接; 自冲铆接作为一种薄板 材料连接新技术，在连接新轻型合金、复合材料等难焊 接薄板材料方面有着无可替代的地位［5--7］． 近年来，国内外学者对自冲铆接技术做了相关 研究． 卢毅等［8］研究了局部热处理对钢--钛组合自 冲铆接头力学性能的影响，得出淬火处理提高了接 头 的 静 强 度． Chung 与 Kim［9］ 对 1. 5 mm 厚 的 AA5052 铝合金和冷轧碳钢板( SPCC) 组合自冲铆接 头进行实验研究，结果表明 SPCC--AA5052 接头的 静强度大于 AA5052--SPCC 接头，但其疲劳强度小 于 AA5052--SPCC 接头． Zhao 等［10］研究了基板厚度 对 AA5052 铝合金自冲铆接头疲劳性能及微动行为 的影响，得出接头疲劳寿命在低疲劳载荷下受板厚 影响较大，接头疲劳寿命随板厚增加而增长． Gay 等［11］研究了铆钉形状、温度等因素对铝合金( AA5182-- O) 和玻璃纤维增强热塑性复合材料( PA6. 6--GF50， PA6. 6--GF63) 异质组合自冲铆接头疲劳性能的影响， 研究表明复合材料的种类会显著影响自冲铆接头疲劳 极限值． 邓成江等［12］研究了铜--铝合金异质自冲铆接 头疲劳性能，并对接头疲劳裂纹扩展类型进行分析． 钛和铝锂合金因其特有的优异性能被广泛应用 于航空航天和汽车制造业中，相对于传统连接技术， 自冲铆接在连接异种金属板材方面具有明显的优 势． 目前对钛合金自冲铆接头疲劳性能的研究还相 对较少． 本文以 TA1 纯钛和 AL1420 铝锂合金异质自 冲铆接头为研究对象，对两组接头进行静力学实验和 疲劳实验，研究上下板组合方式对接头疲劳强度的影 响，并分析了接头疲劳失效机理及微动磨损机理，以期 为新轻型合金在工程实际中的应用提供相关参考． 1 实验 1. 1 试件制备 实验所用板材为纯钛板( TA1) 和铝锂合金板 ( AL1420) ，尺寸均为 110 mm × 20 mm × 1. 5 mm，板 材力学性能参数如表 1 所示． 采用德国 Bllhoff 公 司生产的自冲铆接设备 ( ＲIVSET VAＲIO-- FC ( MTF) ) 制 备 TA1--AL1420 单搭自冲铆接头和 AL1420--TA1 单搭自冲铆接头，各组接头编号如表 2 所示． 实验所用铆钉为 6 mm 长的半空心铆钉，接头 尺寸见图 1，每组各制备 25 个试件． 表 1 板材力学性能参数 Table 1 Mechanical properties of sheet materials 材料 屈服强度/ MPa 弹性模量/ GPa 抗拉强度/ MPa 伸长率/ % TA1 396. 8 98. 5 402. 5 33. 0 AL1420 294. 9 69. 0 364. 6 14. 2 表 2 接头编号 Table 2 Number of joints 接头编号 上板 下板 TA TA1 AL1420 AT AL1420 TA1 图 1 接头尺寸( 单位: mm) Fig． 1 Dimensions of the joints ( unit: mm) 1. 2 力学性能实验 力学性能测试在 MTS Landmark100 电液伺服材 料试验机上进行． 静力学实验中，为降低由于不对 中所产生的扭矩，在试件两端夹持尺寸为 25 mm × 20 mm × 1. 5 mm 的垫片; 设定拉伸速率为 5 mm· min － 1 ． 从各组 25 个接头中随机选取 10 个进行 10 次重复性拉伸--剪切实验． 依据静力学实验所得的静失效载荷均值，将剩 余 15 个接头用于疲劳性能测试实验． 疲劳实验中 设置应力比 Ｒ = 0. 1，频率 f = 10 Hz; 在拉--拉模式下 施加正弦波形载荷; 试件两端加持尺寸为 25 mm × 20 mm × 1. 5 mm 的垫片; 依据预疲劳实验结果，分别 以 TA1--AL1420( TA) 和 AL1420--TA1( AT) 接头静 失效 载 荷 均 值 的 50% 、30% 、18% 和 60% 、35% 、 25% 作为对应的疲劳载荷水平，且每个载荷水平下 均测试 3 个试件; 此外，将疲劳循环次数超过 200 万 或试件出现明显裂纹作为该试件的失效判据． 接头 疲劳失效试件如图 2 所示． · 974 ·
·480· 工程科学学报，第40卷，第4期 50% 30% 18% 60% 35% 25% 图2接头疲劳失效试件.(a)TA接头：(b)AT接头 Fig.2 Different failed SPR joints for the fatigue tests:(a)TA joint:(b)AT joint 2结果与分析 (a) (b) 2.1静力学性能 对于静力学实验结果，采用格拉布斯(Grubbs) 检验法剔除离群值.经检验，TA接头第3个数据以 1.43 117 及AT接头第3个数据为离群值，将其剔除.用获得 的有效数据计算各组接头的静失效载荷均值和能量 吸收值并绘制图3.可见，TA接头的静失效载荷均 图4接头截面.(a)TA接头：(b)AT接头（单位：mm) 值为5.677kN大于AT接头(4.818kN),TA接头的 Fig.4 Cross-sections of the joints:(a)TA joint:(b)AT joint 能量吸收值为13.7J大于AT接头(12.3J).由于 (unit:mm) 自冲铆接头静强度与接头成形质量有关，其中钉脚 数经验公式：N(S-S。)B=a处理实验数据，S是应 张开度和残余底厚是影响接头强度的重要指标，结 力水平，N是疲劳循环次数，S。为V趋于无穷时的应 合接头的成形质量（图4）可知TA接头钉脚张开度 和残余底厚值远大于AT接头，由于钛板较硬铆钉 力，称为拟合疲劳极限，和为待定常数.采用S-V 刺入上板时产生较大变形，使TA接头铆钉脚张开 曲线拟合法得到两组接头的S-V曲线间.通过计 程度较大.总体看来，TA单搭自冲铆接头的静力学 算得到TA和AT接头的S-V曲线拟合方程为：lgN 性能更优 =4.78-1.69lg(S-0.81)和lgN=6.09-3.83lg(S 10 20 -0.28),其线性相关系数R=-1.00,并绘制S-N ☑静失效载荷 题能量吸收值 曲线如图5所示.对比两组接头的S-V曲线可知， 在短寿命区和长寿命区，两组接头的S-V曲线较接 6 近，但AT接头的疲劳寿命大于TA接头：在中寿命 10 区，AT接头疲劳寿命明显大于TA接头.由于自冲 铆接头的疲劳寿命与接头成形质量和基板性能密切 相关，由图2可知两组接头都出现下板断裂失效形 式，且铝锂合金的强度相对于钛板和铆钉较弱，在疲 劳载荷下接头内锁区域产生微动，裂纹更容易在TA TA接头 AT接头 接头下板萌生和扩展，导致下板断裂失效.总体上， 图3接头静失效载荷及能量吸收值 AT接头疲劳性能优于TA接头，可以得出上下板组 Fig.3 Static failure load and energy absorption value of joints 合方式对接头的疲劳性能影响较大. 2.2疲劳寿命 2.3疲劳失效机理 两组接头疲劳实验数据如表3所示.基于三参 TA接头在三个载荷水平下失效形式均为下板
工程科学学报，第 40 卷，第 4 期 图 2 接头疲劳失效试件 . ( a) TA 接头; ( b) AT 接头 Fig． 2 Different failed SPＲ joints for the fatigue tests: ( a) TA joint; ( b) AT joint 2 结果与分析 2. 1 静力学性能 对于静力学实验结果，采用格拉布斯( Grubbs) 检验法剔除离群值． 经检验，TA 接头第 3 个数据以 及 AT 接头第 3 个数据为离群值，将其剔除． 用获得 的有效数据计算各组接头的静失效载荷均值和能量 吸收值并绘制图 3． 可见，TA 接头的静失效载荷均 值为 5. 677 kN 大于 AT 接头( 4. 818 kN) ，TA 接头的 能量吸收值为 13. 7 J 大于 AT 接头( 12. 3 J) ． 由于 自冲铆接头静强度与接头成形质量有关，其中钉脚 张开度和残余底厚是影响接头强度的重要指标，结 合接头的成形质量( 图 4) 可知 TA 接头钉脚张开度 和残余底厚值远大于 AT 接头，由于钛板较硬铆钉 刺入上板时产生较大变形，使 TA 接头铆钉脚张开 程度较大． 总体看来，TA 单搭自冲铆接头的静力学 性能更优． 图 3 接头静失效载荷及能量吸收值 Fig． 3 Static failure load and energy absorption value of joints 2. 2 疲劳寿命 两组接头疲劳实验数据如表 3 所示． 基于三参 图 4 接头截面 . ( a) TA 接头; ( b) AT 接头( 单位: mm) Fig． 4 Cross-sections of the joints: ( a) TA joint; ( b) AT joint ( unit: mm) 数经验公式: N( S － S0 ) β = α 处理实验数据，S 是应 力水平，N 是疲劳循环次数，S0为 N 趋于无穷时的应 力，称为拟合疲劳极限，α 和"为待定常数． 采用 S--N 曲线拟合法得到两组接头的 S--N 曲线［13］． 通过计 算得到 TA 和 AT 接头的 S--N 曲线拟合方程为: lgN = 4. 78 － 1. 69lg( S － 0. 81) 和 lgN = 6. 09 － 3. 83lg( S － 0. 28) ，其线性相关系数 Ｒ = － 1. 00，并绘制 S--N 曲线如图 5 所示． 对比两组接头的 S--N 曲线可知， 在短寿命区和长寿命区，两组接头的 S--N 曲线较接 近，但 AT 接头的疲劳寿命大于 TA 接头; 在中寿命 区，AT 接头疲劳寿命明显大于 TA 接头． 由于自冲 铆接头的疲劳寿命与接头成形质量和基板性能密切 相关，由图 2 可知两组接头都出现下板断裂失效形 式，且铝锂合金的强度相对于钛板和铆钉较弱，在疲 劳载荷下接头内锁区域产生微动，裂纹更容易在 TA 接头下板萌生和扩展，导致下板断裂失效． 总体上， AT 接头疲劳性能优于 TA 接头，可以得出上下板组 合方式对接头的疲劳性能影响较大． 2. 3 疲劳失效机理 TA 接头在三个载荷水平下失效形式均为下板 · 084 ·
刘洋等：钛铝异质自冲铆接头疲劳性能及失效机理 ·481· 表3接头疲劳数据 4.0 Table 3 Fatigue data of different joints TA接头疲劳数据 3.5 一TA接头S-N曲线 ▲AT接头疲劳数据 接头 载荷 试件 疲劳 载荷试件 疲劳 接头 寿命 寿命 3.0 AT接头S-N曲线 水平/%编号 水平/%编号 01 20288 07 29886 2.5 50 02 19557 60 08 29734 2.0 08 15034 10 30886 05 120087 03 368511 1.5 TA 30 11 81098 AT 35 04 248464 1.0 12 87322 06 352976 14 575754 11 1564571 4.2 48 5.4 6.0 6.6 18 15 900786 25 12 1391789 疲劳寿命对数lgW 17 1028531 13 1896804 图5接头S-N曲线 Fig.5 S-V curves of the joints 断裂：AT接头在疲劳载荷水平为60%下均为铆钉 断裂失效；在35%载荷水平下有1个接头出现了下 SCAN型高真空电子扫描显微镜下进行微观断口观 板断裂和铆钉腿部断裂混合失效形式，其余接头因 测.TA接头下板断口的观测结果如图6所示，图6 下板断裂失效：在25%载荷水平下有1个接头因下 ()靠近铆钉脚位置有细密的疲劳条纹，呈现出类 板断裂失效，其余接头为下板断裂和铆钉腿部断裂 解理羽毛花样特征，这是疲劳源区和近源区的典型 混合失效.由此可得，AT接头在高疲劳载荷水平 特征：由于接头在周期性循环应力作用下，铆钉脚与 下，铆钉为薄弱部位，接头因铆钉断裂失效.在中低 下板内锁区域（图6(a)F区域）发生微动，导致疲劳 疲劳载荷水平下下板和铆钉为薄弱部位，多数接头 裂纹产生.图6(c)和(e)出现了明显的塑性疲劳条 因下板和铆钉断裂失效. 带，这是疲劳裂纹扩展区的微观形貌特征；由于受到 为了研究接头在疲劳载荷下的微观失效机理， 规则的往复推压，疲劳裂纹开裂后的断口相对面上 选取典型断口在捷克TESCAN公司生产的VEGA3 的尖刃会产成伤痕，条痕呈轮胎状花样：图6(b)呈 (a) (b) 20n 204m 204m 204mt 20 um 图6TA接头下板断口形貌.(a)断口宏观形貌：(b)A区域放大图：(c)B区域放大图：(d)C区域放大图：()D区域放大图：()E区域放 大图 Fig.6 Appearance of fracture on the lower sheet of TA joints:(a)macroscopic morphology of the fracture:(b)enlarged Area A:(c)enlarged Area B:(d)enlarged Area C:(e)enlarged Area D:(f)enlarged Area E
刘 洋等: 钛铝异质自冲铆接头疲劳性能及失效机理 表 3 接头疲劳数据 Table 3 Fatigue data of different joints 接头 载荷 水平/% 试件 编号 疲劳 寿命 接头 载荷 水平/% 试件 编号 疲劳 寿命 TA 50 30 18 01 20288 02 19557 08 15034 05 120087 11 81098 12 87322 14 575754 15 900786 17 1028531 AT 60 35 25 07 29886 08 29734 10 30886 03 368511 04 248464 06 352976 11 1564571 12 1391789 13 1896804 图 6 TA 接头下板断口形貌 . ( a) 断口宏观形貌; ( b) A 区域放大图; ( c) B 区域放大图; ( d) C 区域放大图; ( e) D 区域放大图; ( f) E 区域放 大图 Fig． 6 Appearance of fracture on the lower sheet of TA joints: ( a) macroscopic morphology of the fracture; ( b) enlarged Area A; ( c) enlarged Area B; ( d) enlarged Area C; ( e) enlarged Area D; ( f) enlarged Area E 断裂; AT 接头在疲劳载荷水平为 60% 下均为铆钉 断裂失效; 在 35% 载荷水平下有 1 个接头出现了下 板断裂和铆钉腿部断裂混合失效形式，其余接头因 下板断裂失效; 在 25% 载荷水平下有 1 个接头因下 板断裂失效，其余接头为下板断裂和铆钉腿部断裂 混合失效． 由此可得，AT 接头在高疲劳载荷水平 下，铆钉为薄弱部位，接头因铆钉断裂失效． 在中低 疲劳载荷水平下下板和铆钉为薄弱部位，多数接头 因下板和铆钉断裂失效． 为了研究接头在疲劳载荷下的微观失效机理， 选取典型断口在捷克 TESCAN 公司生产的 VEGA3 图 5 接头 S--N 曲线 Fig． 5 S--N curves of the joints SCAN 型高真空电子扫描显微镜下进行微观断口观 测． TA 接头下板断口的观测结果如图 6 所示，图 6 ( d) 靠近铆钉脚位置有细密的疲劳条纹，呈现出类 解理羽毛花样特征，这是疲劳源区和近源区的典型 特征; 由于接头在周期性循环应力作用下，铆钉脚与 下板内锁区域( 图 6( a) F 区域) 发生微动，导致疲劳 裂纹产生． 图 6( c) 和( e) 出现了明显的塑性疲劳条 带，这是疲劳裂纹扩展区的微观形貌特征; 由于受到 规则的往复推压，疲劳裂纹开裂后的断口相对面上 的尖刃会产成伤痕，条痕呈轮胎状花样; 图 6( b) 呈 · 184 ·
·482 工程科学学报，第40卷，第4期 现出大尺寸的韧窝、撕裂棱和第二相，该区域塑性变 方向及条带方向可以判别裂纹沿板宽方向扩展：图 形较大属于韧性断裂；图6()为典型的韧窝特征， 7(c)区域为解理台阶形貌，出现大量的疲劳条带， 由于断裂时微孔聚合机制形成大的韧窝，同时能观 属于裂纹扩展区：此外可发现此处疲劳条带比较散 察到撕裂棱、韧窝带及从韧窝萌生的二次裂纹存在； 乱，且分布在不同高度不同方向的平面上.图7(d) 板材表面由于微滑移量和挤压的存在使得这些部位 区域靠近接头中心，其呈现出疲劳条带特征，断口表 受到切应力作用，加之材料内部空洞、杂质、第二相 面起伏不平，属于穿晶断裂，还可以看到二次裂纹存 等的存在使得裂纹更易在板材表面形核，形核扩展 在，断面层次清晰；从断面上可以看到黑色物质，这 连接在一起形成微裂纹，在微动力作用下裂纹不断 是裂纹扩展中产生的磨屑氧化后形成的，在裂纹扩 扩展，当裂纹沿垂直与表面的方向扩展到一定深度 展过程中充当磨粒作用.图7()区域接近板材横 后微动力影响变小，这时裂纹扩展的主要动力来自 向边缘，呈现大量的撕裂棱并分布有等轴韧窝，断口 于循环外载荷作用：A区域和E区域均为疲劳最终 呈现静载瞬时断裂特征，可以判定此处为疲劳瞬断 断裂区的微观形貌特征.由TA接头成形可知， 区.由此可判断，该试样的疲劳裂纹从下板A区域 铆钉脚尖与下板内锁区域外侧壁厚较薄，属于接头 附近萌生，沿着板宽方向向C区域扩展，下板在持 的薄弱区域.从五个区域的微观形貌均可观察到撕 续的载荷下产生撕裂最终导致下板完全断裂. 裂棱及微孔洞的存在，呈现韧性断裂特征.得出TA 铆钉断裂为AT接头典型疲劳失效断口特征， 接头在疲劳失效过程中，疲劳裂纹萌生于靠近铆钉 选取聊钉断口进行扫描电镜分析，如图8所示.图8 脚处的板材区域，此处为应力集中区域：疲劳裂纹随 (b)和(c)可以观察到明显的撕裂棱，均呈现出散乱 后沿着板宽方向扩展，随着施加的疲劳载荷向板厚 的参差不齐的疲劳条纹，具有一定的解理河流状特 方向延伸，最终导致下板完全断裂 点，属于疲劳脆性断裂.由于该接头所使用铆钉的 AT接头出现铆钉断裂和下板断裂的混合失效 硬度较大导致其脆性增大，使AT接头发生铆钉断 形式，选取12号试件下板进行断口分析，如图7所 裂失效时表现为瞬间脆断 示.图7(b)呈现出典型的河流花样特征，并分布有 2.4微动磨损机理 一定的早期疲劳条带，此处为疲芳源区形貌；从河流 微动磨损是导致接头疲劳失效的主要原因，自 a (c) B 20 un 204m 20μm 204m 图7AT接头下板断口形貌.(a)断口宏观形貌：(b)A区域放大图：()B区域放大图：(d)C区域放大图：()D区域放大图 Fig.7 Appearance of fracture on the lower sheet of AT joints:(a)macroscopic morphology of the fracture:(b)enlarged Area A:(c)enlarged Area B:(d)enlarged Area C:(e)enlarged Area D
工程科学学报，第 40 卷，第 4 期 现出大尺寸的韧窝、撕裂棱和第二相，该区域塑性变 形较大属于韧性断裂; 图 6( f) 为典型的韧窝特征， 由于断裂时微孔聚合机制形成大的韧窝，同时能观 察到撕裂棱、韧窝带及从韧窝萌生的二次裂纹存在; 板材表面由于微滑移量和挤压的存在使得这些部位 受到切应力作用，加之材料内部空洞、杂质、第二相 等的存在使得裂纹更易在板材表面形核，形核扩展 连接在一起形成微裂纹，在微动力作用下裂纹不断 扩展，当裂纹沿垂直与表面的方向扩展到一定深度 后微动力影响变小，这时裂纹扩展的主要动力来自 图 7 AT 接头下板断口形貌 . ( a) 断口宏观形貌; ( b) A 区域放大图; ( c) B 区域放大图; ( d) C 区域放大图; ( e) D 区域放大图 Fig． 7 Appearance of fracture on the lower sheet of AT joints: ( a) macroscopic morphology of the fracture; ( b) enlarged Area A; ( c) enlarged Area B; ( d) enlarged Area C; ( e) enlarged Area D 于循环外载荷作用; A 区域和 E 区域均为疲劳最终 断裂区的微观形貌特征［14］． 由 TA 接头成形可知， 铆钉脚尖与下板内锁区域外侧壁厚较薄，属于接头 的薄弱区域． 从五个区域的微观形貌均可观察到撕 裂棱及微孔洞的存在，呈现韧性断裂特征． 得出 TA 接头在疲劳失效过程中，疲劳裂纹萌生于靠近铆钉 脚处的板材区域，此处为应力集中区域; 疲劳裂纹随 后沿着板宽方向扩展，随着施加的疲劳载荷向板厚 方向延伸，最终导致下板完全断裂． AT 接头出现铆钉断裂和下板断裂的混合失效 形式，选取 12 号试件下板进行断口分析，如图 7 所 示． 图 7( b) 呈现出典型的河流花样特征，并分布有 一定的早期疲劳条带，此处为疲劳源区形貌; 从河流 方向及条带方向可以判别裂纹沿板宽方向扩展; 图 7( c) 区域为解理台阶形貌，出现大量的疲劳条带， 属于裂纹扩展区; 此外可发现此处疲劳条带比较散 乱，且分布在不同高度不同方向的平面上． 图 7( d) 区域靠近接头中心，其呈现出疲劳条带特征，断口表 面起伏不平，属于穿晶断裂，还可以看到二次裂纹存 在，断面层次清晰; 从断面上可以看到黑色物质，这 是裂纹扩展中产生的磨屑氧化后形成的，在裂纹扩 展过程中充当磨粒作用． 图 7( e) 区域接近板材横 向边缘，呈现大量的撕裂棱并分布有等轴韧窝，断口 呈现静载瞬时断裂特征，可以判定此处为疲劳瞬断 区． 由此可判断，该试样的疲劳裂纹从下板 A 区域 附近萌生，沿着板宽方向向 C 区域扩展，下板在持 续的载荷下产生撕裂最终导致下板完全断裂． 铆钉断裂为 AT 接头典型疲劳失效断口特征， 选取铆钉断口进行扫描电镜分析，如图 8 所示． 图 8 ( b) 和( c) 可以观察到明显的撕裂棱，均呈现出散乱 的参差不齐的疲劳条纹，具有一定的解理河流状特 点，属于疲劳脆性断裂． 由于该接头所使用铆钉的 硬度较大导致其脆性增大，使 AT 接头发生铆钉断 裂失效时表现为瞬间脆断． 2. 4 微动磨损机理 微动磨损是导致接头疲劳失效的主要原因，自 · 284 ·