5052铝合金自冲铆接头微动损伤研究

发布时间：2020-06-08 18:04

【摘要】：自冲铆接是一种新型机械紧固连接技术,主要适用于薄板材料间的点连接。与传统铆接不同,自冲铆接无需预成孔,可实现冲铆一次成形,属绿色制造技术,有望成为轻合金薄板材料连接的关键技术,并将广泛应用于汽车、航空和航天等工业领域。本研究主要以5052铝合金自冲铆接头为研究对象,根据试验测试结果分析接头疲劳失效机理与微动损伤之间的关系,并基于微观观测方法和微动损伤理论探索接头微动损伤机理。具体工作和结论如下:(1)对接头进行疲劳测试,用扫描电子显微镜(SEM)研究接头疲劳失效机理,分析接头疲劳失效与微动损伤的关系;根据接头微动损伤程度,分析板材厚度、材料和疲劳载荷发生变化导致接头疲劳失效模式改变的原因。结果表明,接头疲劳失效部位与微动损伤区重合:上板沿铆钉头断裂的接头,由上板与铆钉头接触区(A区)的微动损伤所致;上板靠铆钉头断裂的接头,由铆接区两板间接触区(B区)微动损伤引起;下板沿纽扣和铆钉断裂的接头,由下板与铆钉腿接触区(C区)微动损伤所致。增加板厚使B区微动损伤程度减轻,C区微动损伤程度加重,使接头疲劳失效由上板断裂变为下板断裂;当板材由5052铝合金板变为TA1钛合金板,B区微动损伤程度减轻,使接头疲劳失效由上板断裂变为铆钉断裂;降低疲劳载荷使A区的微动损伤程度加重,使1 mm-1 mm TA1接头疲劳失效由下板断裂变为上板断裂;并发现微动损伤最先发生于板宽区域,而后向板长区域扩展。(2)用SEM观测接头微动区,基于微动损伤机理研究接头微动区裂纹的萌生、扩展和表面磨损现象,阐明了磨损与裂纹损伤机制的竞争关系。结果表明,接头微动裂纹的长度、数量、主次、扩展方向、扩展方向与微动方向所成角度和微动表面颗粒状、片状、混合磨屑、凹坑、裂纹、脱层等磨损形貌均受循环寿命、疲劳载荷、微动区位置和板材材料等因素影响。接头微动区为应力集中部位,易为微裂纹成核点;微动面上广泛的冷焊点受小幅值往复磨损,将诱发微裂纹的萌生;持续的微动将导致垂直于微动面的少数微裂纹将沿材料深度方向扩展成为宏观疲劳裂纹,多数则随着磨损消失。微动力主要对微裂纹的萌生和扩展及疲劳裂纹形成和早期扩展起作用,而后期疲劳裂纹的扩展主要由疲劳应力起作用。接头微动面磨损和裂纹扩展两种损伤机制的竞争将决定微动裂纹萌生点和扩展方向。(3)用能谱仪(EDS)对接头微动第三体进行点、线和面扫描分析,研究接头微动第三体的元素组成、含量及其分布,并基于微动损伤理论阐述了微动第三体和氧化作用对接头微动损伤程度的影响。结果表明,EDS点扫描发现,铆接区两板间接触面的微动第三体成分较铆钉与板材接触面相对简单;EDS线扫描发现,微动损伤剧烈部位为接头疲劳主要失效部位;EDS面扫描发现,铆钉腿下部位发生了极其剧烈的微动损伤现象,整个铆钉腿表面在微动过程中均有氧化作用参与,微动过程中板材材料被剥离到铆钉表面上。微动第三体和氧化作用对接头微动损伤的作用是双重和复杂的,既可加速接头内部微动接触面的损伤程度,亦可缓解接头内部微动接触面的损伤程度。(4)对接头进行静拉伸和疲劳测试,研究板材参参数和铆钉参数对接头力学性能的影响,结合接头载荷-位移曲线分析板材和铆钉参数对接头静拉伸失效模式和损伤程度的影响,并初步分析了板材和铆钉参数对接头疲劳失效模式的影响。结果表明,板材厚度、强度和铆钉数量的增加均可有效的提高接头静强度,而板材宽度的增加对接头静强度的提高并不明显;板材厚度、宽度、强度和铆钉数量的增加均可提高接头疲劳性能,但其提高程度与疲劳载荷相关。板材厚度、宽度和铆钉数量的增加并不改变接头静失效模式,均为拉脱失效,但会改变接头失效程度;板材强度的增加会改变接头静失效模式,从拉脱失效变为铆钉断裂,其损伤程度差异大。根据接头载荷-位移曲线的失效阶段扩展趋势可推测出接头静失效模式,其扩展程度可推测出接头静拉伸损伤程度。板材宽度和铆钉数量并不影响接头疲劳失效模式,但板材厚度的增加会使接头疲劳失效模式从上板断裂转变为下板断裂,而板材强度的增加会导致接头疲劳失效模式由板断变为钉断。
【图文】：

示意图,铆接,过程,示意图

在冲头和下模共同作用下使铆钉腿向从而有效地连接了轻合金薄板材料[14-16]。自冲分别为预紧、刺穿上板、刺入下板和整形，如直压于铆钉头上表面，基板受压边圈压紧，且作用下；刺入上板过程则是铆接机施压于冲头则是铆接机继续施压于冲头使铆钉继续向下刺、下模和板材的共同作用下使铆钉腿张开，从

示意图,铆钉

图1.1自冲铆接过程示意图Fig. 1.1 Diagram of SPR process中，需要选择合适的铆钉、下模和冲头，方可实现轻合。现在，应用于自冲铆接技术的铆钉可大致分为半空心半空心铆钉占市场份额的绝大部分(约 90%)，剩余的究中所有轻合金薄板材料均采用半空心铆钉进行铆接。及其厚度等情况，选用不同长度的铆钉，从而实现基板模和凸模两种形式，板材材料流动性好且硬度较低的材于流动性差且硬度高的板材材料则使用凸模，本研究中均采用平模。冲头尺寸与铆钉头直径相关[4,18]，本研究中
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG938

【参考文献】