異種輕質金屬鉚接接頭力學性能實驗研究

李雄 張小陽 賀慶輝 黃美雪 唐岱 銀如平 邵攀峰

摘要：隨著輕量化技術的發展，諸如鋁鎂合金等輕質金屬得以廣泛應用，而鉚接作為制作異種輕質金屬結構件的主要連接方式，研究其疲勞性能具有重要的現實意義。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驗樣件。通過光學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鎂合金微觀結構。同時，開展了AM60和AZ31鎂合金鉚接接頭單調拉壓力學實驗和疲勞力學實驗。本文的研究有助于開展鉚接接頭結構件抗疲勞設計，具有廣泛的應用價值。

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.

關鍵詞：鎂合金;鉚接接頭;疲勞;微結構

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

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

0? 引言

隨著輕量化技術的發展，鋁鎂合金等輕質金屬得到廣泛的應用和推廣。而鉚接具有加工效率高、強度高等優點，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，通過實驗研究探明異種輕質金屬鉚接接頭疲勞力學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生塑性變形，這種變形會使得材料的微觀組織形態、力學性能和疲勞性能發生變化。孟鶴等人[3]通過掃描電鏡觀測發現：鉚釘釘體的斷口以宏觀脆性的微孔型斷裂為主，鉚體部分斷口部分表現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現：接頭疲勞失效部位與微動損傷區重合，上板沿鉚釘頭斷裂的接頭，由上板與鉚釘頭接觸區的微動損傷所致。王希靖等人[5]利用掃描電子顯微鏡、能譜儀及拉伸試驗對接頭的微觀組織及力學性能進行了研究。結果表明：接頭成形平整美觀，中心沒有匙孔;接頭包含鉚接區和擴散區，鋁柱上斷口的微觀形貌是被拉長的韌窩，擴散區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性能及疲勞失效機理的影響，對比分析了不同鉚接接頭的力學性能，還研究了同種/異種鉚接接頭的動態疲勞特性，結果表明：鉚接接頭的疲勞失效均為板材斷裂。

綜上所述，鉚接是一種綠色環保、快速高效的機械冷成形連接技術，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，易于實現，適合大批量生產，該技術還可以與智能控制、智能檢測和智能制造等先進技術相結合，有望成為金屬材料連接的關鍵技術。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和疲勞性能，具有重要的現實意義和應用前景。

1? 鉚接接頭試件制作

試驗板材為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。鉚接設備為BLLHOFF公司生產的MTF型自沖鉚接系統，鉚接過程中，設置預緊力為9MPa，鉚接力為15MPa，共制作24個試件，實物如圖2所示，為了便于后續力學實驗過程中進行裝夾，在試件母材板件末端打了一個工藝孔。

2? 微觀結構分析

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顯微鏡觀察了鉚接接頭微結構形貌，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底部形成了一個凹坑。整個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的微觀結構，如圖4所示，通過對局部區域放大3000倍后觀察到，左側AZ31等軸晶粒的平均晶粒尺寸大約在5μm，分布均勻且規則，未見明顯缺陷。右側AM60等軸晶粒的平均晶粒尺寸大約在9μm，排布規則，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具有更細的晶粒結構和更規則的晶粒分布。

3? 力學性能

本文針對AZ31和AM60異種輕質金屬鉚接接頭分別開展了單調拉壓力學實驗和疲勞力學實驗，其結果分別如圖5和圖6所示。根據單調拉壓力學實驗結果來看，該鉚接接頭的拉伸和壓縮力學性能不對稱，且抗拉強度為280MPa，拉伸屈服強度約為130MPa，壓縮屈服強度約為150MPa。根據拉伸疲勞實驗結果來看（應力比大于0），其縱坐標為力幅（最大拉力-最小拉力），共做了6個應力水平，其最大拉力分別為15000N、12000N、10000N、8000N、6000N、4000N，其中當力幅為3600N時，壽命周次最少，為103數量級，當立幅為1200N時，壽命周次最多，達到106數量級。

4? 結論

本文介紹了AZ31和AM60M鎂合金鉚接接頭成形工藝，并設計制作了力學性能實驗試件，并分別觀察了鉚接接頭的微觀形貌結構和微結構形態，了解了兩種母材的基本晶體結構，并通過材料試驗機開展了單調拉壓力學性能和疲勞力學性能實驗研究，其中鉚接接頭抗拉強度為280MPa，拉伸屈服強度約為130MPa，壓縮屈服強度約為150MPa;當力幅為3600N時，壽命周次最少，為103數量級，當立幅為1200N時，壽命周次最多，達到106數量級。

參考文獻：

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