淺析自衝鉚接微裂紋的產生與發展論文

鉚釘可用鋼材或硬鋁等製作，一般經熱處理來適當提高其韌、硬度，這主要取決於被鉚接材料特性如強度、硬度、厚度等。被鉚接的材料常有鋼板、鋁板或鋁合金、塑料、銅或銅合金、高分子材料及複合材料等，一般其硬度不能太高，否則鉚釘將難刺穿上板料，若採用更高硬度的鉚釘，但這樣鉚釘在刺入板料和張開時易開裂，且增大了刺入力。由於鉚釘刺進板料時，板料內部強度、硬度、結構、相分佈、原子結合力不均，晶粒、晶界性狀不一等原因導致板料的鉚釘孔孔壁有毛刺、微裂紋，這些將是導致自衝鉚接失效的重要擴展源。

由於材料在成形時溫度高低不是很均勻、化學成分也不可能非常均勻（如鋼中的碳元素）、表面和內部散熱不均、化學成分偏析或偏聚也不均勻等原因，可能導致多種晶體結構同時存在，不過可能有一種或幾種結構爲主，況且材料一般都是含有多種元素，則原子間作用力或鍵的作用力將不同，其對內、外界環境和作用載荷改變而應力的變化也不同，這也將導致最薄弱處出現微裂紋；每種結構、成分的機械性能（如硬脆度、強度等）和形狀、結構就不同，受載時材料內部的微觀部分的受力肯定不一樣（如應力集中等）；那麼由以上各原因，經過反覆不斷的受載則位錯或微裂紋將在最薄弱處發生。

一般金屬材料都是多晶體構成的，如果結晶時溫度不太均勻、散熱不均勻、冷卻不均勻或其他添加元素、雜質干擾等情況，金屬內可能出現兩種或多種晶格，微觀受載不均就位錯增加而出現微裂紋。每種晶格分別存在一個個小晶體內，這樣一些小晶體常排列方向各異，各小晶體間以不規則的、畸變的結構連接，形成晶界或亞晶界，晶界或亞晶界強度和硬度較高[17]，但其方向、排列、結構、強度等各異，且存在位錯，在受到交變載荷、衝擊載荷、循環載荷、受力不均勻、應力集中等情況時，由於變形不協調、不均勻或附加載荷等，相對較弱的晶界和亞晶界可能發生更大的位錯，或小孔洞，甚至破裂成微裂紋；也可能因小晶體內的微觀或顯微局部強度不夠，當載荷長時間作用時，某些小缺陷就不斷擴展成微裂紋，然後微裂紋經很多次擴展就穿晶破裂。

金屬材料內部常有其他金屬或非金屬元素。如鋼材中添加的碳、硅、硫、磷、鉻、鎳等等元素，這些元素往往固溶於基體中（如在鋼材中這些元素會固溶於鐵晶格中形成固溶體）或形成金屬化合物等，且鋁合金中可能有α、θ、S等相，銅合金中可能有α、δ、β‘等相，還可形成金屬化合物如滲碳體等[17]，載荷在微觀不均，位錯增加，微裂紋將在薄弱處產生；由於化學成分不完全均勻，各種成分在進行物理化學變化時所處的條件也不完全毫無差別，這些相可能同時存在，且可能方向、位置及形狀等較爲雜亂，微觀受載不均，位錯堆積，微裂紋將在薄弱處產生；而且比如常用的退火、正火的鋼材由於化學元素是否均勻、是否偏聚偏析、熱處理加熱快慢、加熱是否均勻、降溫速度、降溫是否均勻等影響可能導致材料中同時存在鐵素體、珠光體、滲碳體等各種相、結構，而各種相的強度、硬度、韌性、伸長率等不一，這樣當材料受到外載時，在微觀中的每個相的各個部分的微觀變形及受力就不一樣，這使得最薄弱處出現微裂紋；且由於加溫、降溫等在材料內部和外部差別不一等情況，可導致材料內部應力大小不一，甚至出現有的地方是拉應力而有的.地方是壓應力，且可能應力大小差別較大，薄弱處也將出現微裂紋；在應力集中或局部受力超過相的強度極限等情況下，相特別是其尖端可能破裂或者和相鄰的相之間產生更長更寬的位錯以及壓破相鄰的相，而後出現微裂紋；如滲碳體等硬脆相在應力集中和局部過載時易脆斷，或者珠光體等較強韌相壓破相鄰的弱相，而出現微裂紋；以及在晶界原子結構畸變處累積位錯，這樣晶界處可能產生微裂紋，特別是那些局部的尖銳的板條狀滲碳體；且由於金屬材料成形時的相變和溫度改變不均等可能造成應力集中或初始位錯等。所有以上情況經反覆加載就成了微裂紋。

金屬中還可能有氣孔、縮孔、有雜質等缺陷，它們中有的即使在軋製時也可能不能壓合成一體。它們的形狀各異，在這些缺陷邊緣處材料受到一個較大彎矩作用，故容易出現微裂紋。且在這些缺陷的邊緣，特別是垂直於載荷的片狀裂紋尖角應力集中，則尖端容易堆積位錯而塑性下降，然後撕裂成微裂紋。

對於高分子材料比如塑料，其材料成分可以含有碳、氫、氧等元素成分，可以有共價鍵、分子鍵等。分子鏈有長有短，有主鏈，有支鏈，分子結構各異，分子構型、構象不同，這樣材料受到疲勞載荷時載荷在鍵間、分子間、鏈間的分佈可能不均，況且由於疲勞載荷做功，把機械能轉化爲熱能，而且由於材料內外產熱微小差別、散熱不均、內部結構不均等可導致熱分佈不均，且熱對不同鍵及連接的軟化、消弱等影響不均，可導致在危險處斷鍵、分子錯動、斷鏈等情況發生，這樣不斷髮展下去就有了微裂紋。對於有機材料中含有的雜質、氣孔、縮孔等在受載時由於應力集中、氣體膨脹等也易出現微裂紋。當疲勞載荷能量大，散熱又差時，材料可能軟化失效。

對於複合材料，它是由不同化學成分或不同組織結構材料的合成多相材料，它一般在低強度、低模量、高韌性基體材料中加高模量、高強度的增強纖維、顆粒、夾層[17]。基體和增強物間可能有空隙、氣體、雜質等缺陷；纖維沒有整個材料那麼長那麼寬，這樣並排的纖維間由其他材料填充，纖維排列錯亂，纖維還有斷頭，這將成微裂紋來源。以下情況也將產生受載不均、疲勞強度減小、變形不協調等，使局部應力大於平均應力而出現微裂紋：顆粒間爲強度、硬度等不同的基體，顆粒排列、形狀等各異，增強物排列密度不均；增強物與基體強度、模量不一致，導致加載時變形不一致，有大有小；載荷對增強物的角度不一，可能有的易出現微小破壞；增強物雜亂；加載生產熱、散熱不均；各種成分因熱消弱強度、硬度的敏感性不一；基體和增強物本身缺陷，如有微孔、氣泡等。以上情況出現後，均會在長期疲勞載荷下形成微裂紋。