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浅析自冲铆接微裂纹的产生与发展论文

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浅析自冲铆接微裂纹的产生与发展论文

铆钉可用钢材或硬铝等制作，一般经热处理来适当提高其韧、硬度，这主要取决于被铆接材料特性如强度、硬度、厚度等。被铆接的材料常有钢板、铝板或铝合金、塑料、铜或铜合金、高分子材料及复合材料等，一般其硬度不能太高，否则铆钉将难刺穿上板料，若采用更高硬度的铆钉，但这样铆钉在刺入板料和张开时易开裂，且增大了刺入力。由于铆钉刺进板料时，板料内部强度、硬度、结构、相分布、原子结合力不均，晶粒、晶界性状不一等原因导致板料的铆钉孔孔壁有毛刺、微裂纹，这些将是导致自冲铆接失效的重要扩展源。

由于材料在成形时温度高低不是很均匀、化学成分也不可能非常均匀（如钢中的碳元素）、表面和内部散热不均、化学成分偏析或偏聚也不均匀等原因，可能导致多种晶体结构同时存在，不过可能有一种或几种结构为主，况且材料一般都是含有多种元素，则原子间作用力或键的作用力将不同，其对内、外界环境和作用载荷改变而应力的变化也不同，这也将导致最薄弱处出现微裂纹；每种结构、成分的机械性能（如硬脆度、强度等）和形状、结构就不同，受载时材料内部的微观部分的受力肯定不一样（如应力集中等）；那么由以上各原因，经过反复不断的受载则位错或微裂纹将在最薄弱处发生。

一般金属材料都是多晶体构成的，如果结晶时温度不太均匀、散热不均匀、冷却不均匀或其他添加元素、杂质干扰等情况，金属内可能出现两种或多种晶格，微观受载不均就位错增加而出现微裂纹。每种晶格分别存在一个个小晶体内，这样一些小晶体常排列方向各异，各小晶体间以不规则的、畸变的结构连接，形成晶界或亚晶界，晶界或亚晶界强度和硬度较高[17]，但其方向、排列、结构、强度等各异，且存在位错，在受到交变载荷、冲击载荷、循环载荷、受力不均匀、应力集中等情况时，由于变形不协调、不均匀或附加载荷等，相对较弱的晶界和亚晶界可能发生更大的位错，或小孔洞，甚至破裂成微裂纹；也可能因小晶体内的微观或显微局部强度不够，当载荷长时间作用时，某些小缺陷就不断扩展成微裂纹，然后微裂纹经很多次扩展就穿晶破裂。

金属材料内部常有其他金属或非金属元素。如钢材中添加的碳、硅、硫、磷、铬、镍等等元素，这些元素往往固溶于基体中（如在钢材中这些元素会固溶于铁晶格中形成固溶体）或形成金属化合物等，且铝合金中可能有α、θ、S等相，铜合金中可能有α、δ、β‘等相，还可形成金属化合物如渗碳体等[17]，载荷在微观不均，位错增加，微裂纹将在薄弱处产生；由于化学成分不完全均匀，各种成分在进行物理化学变化时所处的条件也不完全毫无差别，这些相可能同时存在，且可能方向、位置及形状等较为杂乱，微观受载不均，位错堆积，微裂纹将在薄弱处产生；而且比如常用的退火、正火的钢材由于化学元素是否均匀、是否偏聚偏析、热处理加热快慢、加热是否均匀、降温速度、降温是否均匀等影响可能导致材料中同时存在铁素体、珠光体、渗碳体等各种相、结构，而各种相的强度、硬度、韧性、伸长率等不一，这样当材料受到外载时，在微观中的每个相的各个部分的微观变形及受力就不一样，这使得最薄弱处出现微裂纹；且由于加温、降温等在材料内部和外部差别不一等情况，可导致材料内部应力大小不一，甚至出现有的地方是拉应力而有的地方是压应力，且可能应力大小差别较大，薄弱处也将出现微裂纹；在应力集中或局部受力超过相的强度极限等情况下，相特别是其尖端可能破裂或者和相邻的相之间产生更长更宽的位错以及压破相邻的相，而后出现微裂纹；如渗碳体等硬脆相在应力集中和局部过载时易脆断，或者珠光体等较强韧相压破相邻的弱相，而出现微裂纹；以及在晶界原子结构畸变处累积位错，这样晶界处可能产生微裂纹，特别是那些局部的尖锐的板条状渗碳体；且由于金属材料成形时的'相变和温度改变不均等可能造成应力集中或初始位错等。所有以上情况经反复加载就成了微裂纹。

金属中还可能有气孔、缩孔、有杂质等缺陷，它们中有的即使在轧制时也可能不能压合成一体。它们的形状各异，在这些缺陷边缘处材料受到一个较大弯矩作用，故容易出现微裂纹。且在这些缺陷的边缘，特别是垂直于载荷的片状裂纹尖角应力集中，则尖端容易堆积位错而塑性下降，然后撕裂成微裂纹。

对于高分子材料比如塑料，其材料成分可以含有碳、氢、氧等元素成分，可以有共价键、分子键等。分子链有长有短，有主链，有支链，分子结构各异，分子构型、构象不同，这样材料受到疲劳载荷时载荷在键间、分子间、链间的分布可能不均，况且由于疲劳载荷做功，把机械能转化为热能，而且由于材料内外产热微小差别、散热不均、内部结构不均等可导致热分布不均，且热对不同键及连接的软化、消弱等影响不均，可导致在危险处断键、分子错动、断链等情况发生，这样不断发展下去就有了微裂纹。对于有机材料中含有的杂质、气孔、缩孔等在受载时由于应力集中、气体膨胀等也易出现微裂纹。当疲劳载荷能量大，散热又差时，材料可能软化失效。

对于复合材料，它是由不同化学成分或不同组织结构材料的合成多相材料，它一般在低强度、低模量、高韧性基体材料中加高模量、高强度的增强纤维、颗粒、夹层[17]。基体和增强物间可能有空隙、气体、杂质等缺陷；纤维没有整个材料那么长那么宽，这样并排的纤维间由其他材料填充，纤维排列错乱，纤维还有断头，这将成微裂纹来源。以下情况也将产生受载不均、疲劳强度减小、变形不协调等，使局部应力大于平均应力而出现微裂纹：颗粒间为强度、硬度等不同的基体，颗粒排列、形状等各异，增强物排列密度不均；增强物与基体强度、模量不一致，导致加载时变形不一致，有大有小；载荷对增强物的角度不一，可能有的易出现微小破坏；增强物杂乱；加载生产热、散热不均；各种成分因热消弱强度、硬度的敏感性不一；基体和增强物本身缺陷，如有微孔、气泡等。以上情况出现后，均会在长期疲劳载荷下形成微裂纹。

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