不同材質鉚釘疲勞壽命試驗研究

胡健 謝建良 李凱

摘要：本文分析了同為？準4.8直徑的不同材質鉚釘的疲勞壽命之間的差異，根據試驗數據，驗證鉚釘的拉伸、剪切等疲勞強度及可靠性，為提煉工藝規范、標準、設計準則等提供依據，總結不同材質鉚釘的疲勞壽命試驗數據，擬合S-N疲勞曲線，提取鉚釘疲勞壽命規律。

Abstract： This paper analyzes the difference between the fatigue life of different material rivets with diameters of ？準4.8. According to the test data， the fatigue strength and reliability of rivet tensile and shear are verified， to provide basis for refining process specifications， standards and design guidelines， etc.， the fatigue life test data of different material rivets is summarized， the SN fatigue curve is fitted， and the fatigue life law of the rivet is extracted.

關鍵詞：鉚釘;疲勞壽命;疲勞試驗;S-N曲線

Key words： rivet;fatigue life;fatigue test;S-N curve

中圖分類號：TH131.1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）07-0105-03

0 ?引言

近年來隨著我國城市建設的飛速發展，高鐵、動車和地鐵大批量上線運行，列屬于城軌列車牽引系統心臟的牽引變流器等部件產品的配套生產需求也大大的提升。其中隨著列車輕量化、節能環保等的要求越來越高，牽引逆變器、輔助變流器等部件上使用的鉚接結構越來越多，為探討研究不同材質的鉚釘使用壽命，避免鉚釘因疲勞斷裂失效，開展本試驗研究。

1 ?問題現狀

在軌道交通領域，鉚接結構使用越來越常見，各種材質的鉚釘充斥其中，鋁合金、不銹鋼和硼碳鋼等材質抽芯鉚釘、環槽鉚釘均大量使用。對于一些外露部件如標牌、銘牌等鉚釘鉚接也廣泛應用于各種柜體、門板結構上，其使用壽命確沒有明確的數據支撐，哪種鉚釘耐疲勞性能更優也沒有理論性支撐，往往運行幾年后因鉚釘脫落造成銘牌整體掉落也時有發生（見圖1），因此結合此類情況，選擇了三種常用的不同材質的鉚釘對其耐疲勞性能進行了研究分析。

2 ?鉚釘疲勞壽命試驗分析

2.1 鉚釘疲勞壽命試驗方案

根據GB/T 24176-2009 金屬材料 疲勞試驗 數據統計方案與分析方法和HBZ 112-1986 材料疲勞試驗統計分析方法國家標準，在給定的應力S下進行疲勞試驗，仔細準備一套試樣測定每一試樣的疲勞壽命值，其中每套試樣包含7個應力等級共21個拉伸試驗樣品和7個應力等級的21個剪切試驗樣品。

試驗條件：室溫;

試驗方法：拉伸疲勞試驗及剪切疲勞試驗（圖2-圖3）;

設備：疲勞試驗機、試驗夾具、鉚槍、試驗所需工具工裝等;

試驗材料：POP AD65、MGLP-U6-7和AVEDEL0604。

2.2 鉚釘疲勞壽命試驗結果分析

根據鉚釘疲勞試驗結果，模擬出不同鉚釘的拉伸及剪切疲勞S-N曲線如下：

從圖4可知，POP AD65的拉伸疲勞壽命在103～105次數之間，疲勞壽命較小;在同等疲勞載荷下，疲勞壽命不穩定，同時隨著疲勞載荷減小，POP AD65的拉伸疲勞壽命并沒有顯著的增加，在靜載極限的0.3倍載荷的疲勞作用下，POP AD65的拉伸疲勞壽命也才104左右。根據實驗結果可見，POP AD65的拉伸疲勞壽命整體較低。

從圖5可知，POP AD65的剪切疲勞壽命在104～3×106次數之間，剪切疲勞壽命較拉伸疲勞壽命大幅度提高;在同等疲勞載荷下，疲勞壽命也較拉伸疲勞壽命穩定;同時，隨著疲勞載荷減小，POP AD65的剪切疲勞壽命穩定的增加，在靜載極限的0.25倍載荷的疲勞作用下，POP AD65的剪切疲勞壽命接近3×106左右。根據POP AD65的抽芯鉚釘疲勞實驗結果可見，POP AD65的剪切疲勞壽命較拉伸疲勞壽命為優，耐拉伸載荷水平較差。

從圖6可知，U6-7的拉伸疲勞壽命在104～107次數之間，疲勞壽命較好;在同等疲勞載荷下，疲勞壽命穩定，同時隨著疲勞載荷減小，U6-7的拉伸疲勞壽命顯著的增加，S-N曲線較平緩，在靜載極限的0.3倍載荷的疲勞實驗中，疲勞壽命達到了500萬次實驗設定的極限疲勞壽命。

從圖7可知，U6-7的剪切疲勞壽命在104～107次數之間，剪切疲勞壽命較拉伸疲勞壽命稍差;在同等疲勞載荷下，疲勞壽命也沒有拉伸疲勞壽命穩定;隨著疲勞載荷減小，U6-7的剪切疲勞壽命也隨之增加，在靜載極限的0.3倍載荷的疲勞作用下，U6-7的剪切疲勞壽命也達到了實驗設定的疲勞壽命極限500萬次。根據U6-7的抽芯鉚釘疲勞實驗結果可見，U6-7的拉伸疲勞壽命較剪切疲勞壽命為優，耐剪切載荷水平稍差，但遠比POP-AD65抽芯鉚釘疲勞性能為優。

從圖8可知，AveDel0604環槽鉚釘的拉伸疲勞壽命在104～3×106次數之間，疲勞壽命較AD65為好;但在同等疲勞載荷下，疲勞壽命不穩定，循環次數相差較大，而隨著疲勞載荷的降低，AveDel 0604環槽鉚釘的拉伸疲勞壽命沒有顯著增加，反而有下降趨勢，S-N曲線平緩，在靜載極限的0.55倍載荷的疲勞實驗中，疲勞循環次數僅有十幾萬次，可見其耐拉伸疲勞性能一般。

從圖9可知，AveDel0604環槽鉚釘剪切疲勞壽命在104～107次數之間，剪切疲勞壽命較拉伸疲勞壽命明顯提高;在同等疲勞載荷下，疲勞壽命也比拉伸疲勞壽命穩定;隨著疲勞載荷減小，AveDel0604環槽鉚釘的剪切疲勞壽命也隨之增加，在靜載極限的0.7倍載荷的疲勞作用下，AveDel0604環槽鉚釘的剪切疲勞壽命就已達到了實驗設定的疲勞壽命極限500萬次，可見耐剪切疲勞性能優異。

根據AveDel0604環槽鉚釘疲勞實驗結果可見，其拉伸疲勞壽命較剪切疲勞壽命差，耐剪切載荷水平非常好。相對于同為4.8孔徑大小鉚釘，AveDel0604環槽鉚釘耐剪切疲勞壽命遠比POP-AD65和U6-7抽芯鉚釘為優。

2.3 Φ4.8鉚釘疲勞壽命性能試驗對比分析

AVEDEL0604、POP AD65和MGLP-U6-7鉚釘均適用于底孔直徑大小為4.86～5.0左右的，鉚釘直徑大小約為4.8mm，三種鉚釘適用安裝情況類似，大部分情況下可通用，故對此三種鉚釘的疲勞壽命情況進行對比分析，分析方法依然是選取載荷均值相差不大的載荷進行對比分析，具體實驗結果如下。

從表1、圖10可以看出，對于拉升疲勞壽命，AD65鉚釘實驗載荷最小而循環次數最低，僅103級別，而U6-7實驗載荷略大于AD65鉚釘，但相較于AD65循環次數有大幅度提高，達到了5萬多次（AD65的20多倍），而0604鉚釘實驗載荷最大，比0604載荷高出0.25kN，但是循環次數達到了50多萬次，可知0604的拉伸疲勞載荷遠優于AD65和U6-7鉚釘。

從表2、圖11可以看出，對于剪切疲勞壽命，AD65鉚釘實驗載荷最小而循環次數最低，僅104級別，而U6-7實驗載荷比AD65高了約1kN，但相較于AD65循環次數有大幅度提高，達到了105多次（AD65的7倍多），而0604鉚釘實驗載荷最大，循環次數達到了實驗設定的疲勞壽命極限500萬次，可知0604的剪切疲勞載荷遠優于AD65和U6-7鉚釘。

綜上所述，此三種鉚釘的疲勞壽命性能優異性能排行為0604鉚釘最高，U6-7鉚釘次之，AD65鉚釘最差。即硼碳鋼材質的鉚釘耐疲勞性能最優，不銹鋼材質鉚釘次之，鋁合金5056的鉚釘耐疲勞性能最差。

3 ?結論

鉚接結構是變流器柜體制作及組裝過程中的核心結構，鉚釘耐疲勞性能的好壞直接影響整個鉚接結構的使用壽命，本文在通過大量的試驗基礎上對鋁合金5056、不銹鋼和硼碳鋼三種材質的鉚釘進行疲勞壽命試驗分析，得出結論如下：

①鋁合金5056的POP AD65抽芯鉚釘耐拉伸疲勞性能為103～105，耐剪切疲勞試驗性能為104～3×106;

②不銹鋼材質的U6-7抽芯鉚釘耐拉伸疲勞性能為104～107，耐剪切疲勞試驗性能為104～107;

③硼碳鋼材質的0604環槽鉚釘耐拉伸疲勞性能為104～107，耐剪切疲勞試驗性能為104～107;

④三種鉚釘的疲勞壽命性能優異性能排行硼碳鋼材質的0604環槽鉚釘耐疲勞性能最優，不銹鋼材質U6-7抽芯鉚釘次之，鋁合金5056的POP AD65抽芯鉚釘耐疲勞性能最差。

參考文獻：

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