異種輕質(zhì)金屬鉚接接頭力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)研究

李雄 張小陽 賀慶輝 黃美雪 唐岱 銀如平 邵攀峰

摘要：隨著輕量化技術(shù)的發(fā)展，諸如鋁鎂合金等輕質(zhì)金屬得以廣泛應(yīng)用，而鉚接作為制作異種輕質(zhì)金屬結(jié)構(gòu)件的主要連接方式，研究其疲勞性能具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文首先介紹了AM60和AZ31鎂合金鉚接接頭的成形過程，并制作了鉚接接頭實(shí)驗(yàn)樣件。通過光學(xué)顯微鏡觀察了鉚接接頭微觀形貌，并通過掃描電鏡分別觀察了AM60和AZ31鎂合金微觀結(jié)構(gòu)。同時(shí)，開展了AM60和AZ31鎂合金鉚接接頭單調(diào)拉壓力學(xué)實(shí)驗(yàn)和疲勞力學(xué)實(shí)驗(yàn)。本文的研究有助于開展鉚接接頭結(jié)構(gòu)件抗疲勞設(shè)計(jì)，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

Abstract： With the development of lightweight technology， the light metal like Aluminum and Magnesium alloy is widely used. The riveted joint is considered as the main connection type for this light metal， and so it is helpful to research on the fatigue performance for the dissimilar lightweight metal riveted joints. In this paper， the manufacturing process for AM60 and AZ31 Magnesium alloy was introduced firstly， and the specimens were made as well. The micro morphology of riveted joint was observed by the optical microscope， and the micro-structure of both parental metals was also measured by the scanning electron microscope. Then， the dissimilar lightweight metal riveted joints were conducted on the monotonic tension and compression test， as well as fatigue tests. This work would help the anti-fatigue design of structure made by the riveted joints， and has wide application value.

關(guān)鍵詞：鎂合金;鉚接接頭;疲勞;微結(jié)構(gòu)

Key words： magnesium alloy;riveted joints;fatigue;micro-structure

中圖分類號：U465? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）01-0096-02

0? 引言

隨著輕量化技術(shù)的發(fā)展，鋁鎂合金等輕質(zhì)金屬得到廣泛的應(yīng)用和推廣。而鉚接具有加工效率高、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，已成為鎂合金材料連接首選的加工方式。然而，鉚接接頭在成型過程中需要迫使母材發(fā)生塑性變形，甚至穿破母材，而這勢必給鉚接接頭的服役壽命造成巨大的影響，因此，通過實(shí)驗(yàn)研究探明異種輕質(zhì)金屬鉚接接頭疲勞力學(xué)性能具有重要的工程意義。

鉚接接頭在冷成形過程中會促使母材發(fā)生塑性變形，這種變形會使得材料的微觀組織形態(tài)、力學(xué)性能和疲勞性能發(fā)生變化。孟鶴等人[3]通過掃描電鏡觀測發(fā)現(xiàn)：鉚釘釘體的斷口以宏觀脆性的微孔型斷裂為主，鉚體部分?jǐn)嗫诓糠直憩F(xiàn)出來的特征為典型的宏觀塑性的微孔型斷裂，并通過能譜分析印證了釘體及鉚體的材料特征。趙倫[4]基于微觀觀測方法發(fā)現(xiàn)：接頭疲勞失效部位與微動損傷區(qū)重合，上板沿鉚釘頭斷裂的接頭，由上板與鉚釘頭接觸區(qū)的微動損傷所致。王希靖等人[5]利用掃描電子顯微鏡、能譜儀及拉伸試驗(yàn)對接頭的微觀組織及力學(xué)性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：接頭成形平整美觀，中心沒有匙孔;接頭包含鉚接區(qū)和擴(kuò)散區(qū)，鋁柱上斷口的微觀形貌是被拉長的韌窩，擴(kuò)散區(qū)的斷口由灰色基體和白色顆粒組成。靳文豪[6]等人研究了鉚釘分布形式對接頭力學(xué)性能及疲勞失效機(jī)理的影響，對比分析了不同鉚接接頭的力學(xué)性能，還研究了同種/異種鉚接接頭的動態(tài)疲勞特性，結(jié)果表明：鉚接接頭的疲勞失效均為板材斷裂。

綜上所述，鉚接是一種綠色環(huán)保、快速高效的機(jī)械冷成形連接技術(shù)，可以用于兩層、多層以及同種/異種金屬材料的連接，該連接工藝操作便捷，易于實(shí)現(xiàn)，適合大批量生產(chǎn)，該技術(shù)還可以與智能控制、智能檢測和智能制造等先進(jìn)技術(shù)相結(jié)合，有望成為金屬材料連接的關(guān)鍵技術(shù)。因此，基于微觀觀測方法，研究異種金屬鉚接接頭的微觀組織特性以及宏觀力學(xué)和疲勞性能，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用前景。

1? 鉚接接頭試件制作

試驗(yàn)板材為AM60鎂合金和AZ31鎂合金，采用鉚接的連接方式。試件尺寸為75mm×30mm×2.0mm，鉚釘長度為6mm，如圖1所示，圖1中紅色為鉚釘，上部分是AM60，下部分是AZ31。鉚接設(shè)備為BLLHOFF公司生產(chǎn)的MTF型自沖鉚接系統(tǒng)，鉚接過程中，設(shè)置預(yù)緊力為9MPa，鉚接力為15MPa，共制作24個(gè)試件，實(shí)物如圖2所示，為了便于后續(xù)力學(xué)實(shí)驗(yàn)過程中進(jìn)行裝夾，在試件母材板件末端打了一個(gè)工藝孔。

2? 微觀結(jié)構(gòu)分析

為了觀察鉚接完成后的母材變形情況，將圖2中的試件切割后利用光學(xué)顯微鏡觀察了鉚接接頭微結(jié)構(gòu)形貌，如圖3所示。從圖3中可以看出，上部分母材AM60被鉚釘完全貫穿，并延伸至母材AZ31中，母材AZ31沒有被完全貫穿，且由于底部模具的存在，在母材AZ31底部形成了一個(gè)凹坑。整個(gè)鉚接接頭鉚釘完好無損，輪廓清晰可見，鉚釘和母材之間界面接觸緊密，無間隙和凹坑或凸起痕跡。

本文還通過掃描電鏡觀察了AZ31和AM60的微觀結(jié)構(gòu)，如圖4所示，通過對局部區(qū)域放大3000倍后觀察到，左側(cè)AZ31等軸晶粒的平均晶粒尺寸大約在5μm，分布均勻且規(guī)則，未見明顯缺陷。右側(cè)AM60等軸晶粒的平均晶粒尺寸大約在9μm，排布規(guī)則，但是看見粗大晶粒，相鄰晶粒尺寸并不一致，未見明顯缺陷。兩者相比，AZ31具有更細(xì)的晶粒結(jié)構(gòu)和更規(guī)則的晶粒分布。

3? 力學(xué)性能

本文針對AZ31和AM60異種輕質(zhì)金屬鉚接接頭分別開展了單調(diào)拉壓力學(xué)實(shí)驗(yàn)和疲勞力學(xué)實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果分別如圖5和圖6所示。根據(jù)單調(diào)拉壓力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，該鉚接接頭的拉伸和壓縮力學(xué)性能不對稱，且抗拉強(qiáng)度為280MPa，拉伸屈服強(qiáng)度約為130MPa，壓縮屈服強(qiáng)度約為150MPa。根據(jù)拉伸疲勞實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看（應(yīng)力比大于0），其縱坐標(biāo)為力幅（最大拉力-最小拉力），共做了6個(gè)應(yīng)力水平，其最大拉力分別為15000N、12000N、10000N、8000N、6000N、4000N，其中當(dāng)力幅為3600N時(shí)，壽命周次最少，為103數(shù)量級，當(dāng)立幅為1200N時(shí)，壽命周次最多，達(dá)到106數(shù)量級。

4? 結(jié)論

本文介紹了AZ31和AM60M鎂合金鉚接接頭成形工藝，并設(shè)計(jì)制作了力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)試件，并分別觀察了鉚接接頭的微觀形貌結(jié)構(gòu)和微結(jié)構(gòu)形態(tài)，了解了兩種母材的基本晶體結(jié)構(gòu)，并通過材料試驗(yàn)機(jī)開展了單調(diào)拉壓力學(xué)性能和疲勞力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)研究，其中鉚接接頭抗拉強(qiáng)度為280MPa，拉伸屈服強(qiáng)度約為130MPa，壓縮屈服強(qiáng)度約為150MPa;當(dāng)力幅為3600N時(shí)，壽命周次最少，為103數(shù)量級，當(dāng)立幅為1200N時(shí)，壽命周次最多，達(dá)到106數(shù)量級。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳輝，石小富.鋼/鋁異種金屬TOX圓點(diǎn)鉚接工藝研究[J].新技術(shù)新工藝，2018，11：11-14.

[2]杜國棟，邢彥鋒，金光燦，許莎.鋁鋼薄板多鉚釘連接變形分析及工藝優(yōu)化[J].熱加工工藝，2018，47（21）：183-186，190.

[3]孟鶴，魏文靜，朱偉，左涵彧，丁鵬程，宋凱.鋁鋼鉚接件的拉伸性能測試及微觀分析[J].熱加工工藝，2016，45（1）：16-19，26.

[4]趙倫.5052鋁合金自沖鉚接頭微動損傷研究[D].昆明：昆明理工大學(xué)博士學(xué)位論文，2018.

[5]王希靖，張亞州，李經(jīng)緯，孫學(xué)敏.鋁/鍍鋅鋼摩擦鉚焊接頭組織與力學(xué)性能[J].材料科學(xué)與工藝，2015，23（2）：101-108.

[6]靳文豪，邢保英，何曉聰，曾凱，余康.鋼-鋁異種金屬自沖鉚接接頭酸性環(huán)境下的失效行為分析[J].兵器材料科學(xué)與工程，2019，42（1）：123-126.