淺析自沖鉚接微裂紋的產(chǎn)生與發(fā)展論文

　　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易開裂，且增大了刺入力。由于鉚釘刺進板料時，板料內(nèi)部強度、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展源。

　　由于材料在成形時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)、成分的機械性能（如硬脆度、強度等）和形狀、結(jié)構(gòu)就不同，受載時材料內(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個小晶體內(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，晶界或亞晶界強度和硬度較高[17]，但其方向、排列、結(jié)構(gòu)、強度等各異，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，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度不夠，當(dāng)載荷長時間作用時，某些小缺陷就不斷擴展成微裂紋，然后微裂紋經(jīng)很多次擴展就穿晶破裂。

　　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[17]，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，各種成分在進行物理化學(xué)變化時所處的條件也不完全毫無差別，這些相可能同時存在，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)，而各種相的強度、硬度、韌性、伸長率等不一，這樣當(dāng)材料受到外載時，在微觀中的每個相的各個部分的`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易脆斷，或者珠光體等較強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。

　　對于高分子材料比如塑料，其材料成分可以含有碳、氫、氧等元素成分，可以有共價鍵、分子鍵等。分子鏈有長有短，有主鏈，有支鏈，分子結(jié)構(gòu)各異，分子構(gòu)型、構(gòu)象不同，這樣材料受到疲勞載荷時載荷在鍵間、分子間、鏈間的分布可能不均，況且由于疲勞載荷做功，把機械能轉(zhuǎn)化為熱能，而且由于材料內(nèi)外產(chǎn)熱微小差別、散熱不均、內(nèi)部結(jié)構(gòu)不均等可導(dǎo)致熱分布不均，且熱對不同鍵及連接的軟化、消弱等影響不均，可導(dǎo)致在危險處斷鍵、分子錯動、斷鏈等情況發(fā)生，這樣不斷發(fā)展下去就有了微裂紋。對于有機材料中含有的雜質(zhì)、氣孔、縮孔等在受載時由于應(yīng)力集中、氣體膨脹等也易出現(xiàn)微裂紋。當(dāng)疲勞載荷能量大，散熱又差時，材料可能軟化失效。

　　對于復(fù)合材料，它是由不同化學(xué)成分或不同組織結(jié)構(gòu)材料的合成多相材料，它一般在低強度、低模量、高韌性基體材料中加高模量、高強度的增強纖維、顆粒、夾層[17]。基體和增強物間可能有空隙、氣體、雜質(zhì)等缺陷；纖維沒有整個材料那么長那么寬，這樣并排的纖維間由其他材料填充，纖維排列錯亂，纖維還有斷頭，這將成微裂紋來源。以下情況也將產(chǎn)生受載不均、疲勞強度減小、變形不協(xié)調(diào)等，使局部應(yīng)力大于平均應(yīng)力而出現(xiàn)微裂紋：顆粒間為強度、硬度等不同的基體，顆粒排列、形狀等各異，增強物排列密度不均；增強物與基體強度、模量不一致，導(dǎo)致加載時變形不一致，有大有小；載荷對增強物的角度不一，可能有的易出現(xiàn)微小破壞；增強物雜亂；加載生產(chǎn)熱、散熱不均；各種成分因熱消弱強度、硬度的敏感性不一；基體和增強物本身缺陷，如有微孔、氣泡等。以上情況出現(xiàn)后，均會在長期疲勞載荷下形成微裂紋。

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