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1.華東交通大學(xué),南昌,330013　　2.南昌大學(xué),南昌,3300313.南昌工學(xué)院,南昌,330108

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鋁板與復(fù)合材料板碾鉚連接質(zhì)量的影響因素

黃志超1張永超1彭熙琳1管昌海1賴家美2周澤杰1張玉英3

1.華東交通大學(xué),南昌,3300132.南昌大學(xué),南昌,3300313.南昌工學(xué)院,南昌,330108

摘要：通過鋁板與復(fù)合板料碾鉚連接與拉伸試驗(yàn),分析了有無墊圈、不同預(yù)留高度及孔徑對鋁板與復(fù)合板料碾鉚連接件連接質(zhì)量的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明:墊圈對抗拉伸性能影響最大,加墊圈試件比不加墊圈試件承載能力可提升50%左右；預(yù)留高度對連接性能有一定影響,隨著預(yù)留高度增大，試件抗拉伸性能下降，預(yù)留高度為1 mm和2 mm時(shí)承載能力相差不大；孔徑對連接強(qiáng)度影響較小，綜合對比孔徑分別為5.9、6.0、6.1 mm試件可知，當(dāng)孔徑取6.0 mm時(shí)試驗(yàn)結(jié)果較優(yōu)。對鋼鉚釘進(jìn)行了金相試驗(yàn)，從微觀組織方面闡述了試件連接性能提升的機(jī)理。選取銅、鋁鉚釘進(jìn)行碾鉚及拉伸試驗(yàn)，所得結(jié)論相似。不同時(shí)間長度的腐蝕試驗(yàn)則表明較短時(shí)間內(nèi)的硫酸溶液腐蝕對鉚接件的拉伸性能影響較小。

關(guān)鍵詞：擺碾鉚接；復(fù)合材料；預(yù)留高度；抗拉伸性能

Influencing Factors of Joining Aluminium and Composite Sheets with Rolling Riveting

0引言

隨著工業(yè)制造領(lǐng)域中材料多元化及輕量化趨勢的發(fā)展,以聚合物基纖維增強(qiáng)復(fù)合材料為代表的復(fù)合材料得到了廣泛應(yīng)用。復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高、比剛度高、密度小、熱膨脹系數(shù)小及尺寸穩(wěn)定性好等諸多優(yōu)點(diǎn)[1],此外還可以根據(jù)需要進(jìn)行材料鋪疊及角度設(shè)計(jì)，合理地達(dá)到所要求的使用性能[2]。而輕型金屬材料如鋁材由于其密度小、耐腐蝕以及具有良好的加工成形性和可焊性，已廣泛運(yùn)用于許多工業(yè)與民用領(lǐng)域[3]。在輕型材料的某些應(yīng)用中，往往要將復(fù)合材料與復(fù)合材料或者將復(fù)合材料與金屬材料連接起來,這樣能夠得到有良好綜合性能的連接件。但異種材料在物理及力學(xué)性能方面存在巨大的差異,這使異種材料連接比較困難且會(huì)影響到連接處的力學(xué)行為，進(jìn)而影響連接結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度和完整性及可靠性[4]，因此異種材料連接要綜合考慮材料的組合形式、連接處的幾何參數(shù)以及連接結(jié)構(gòu)的工作環(huán)境等因素。擺碾鉚接(簡稱碾鉚)技術(shù)作為一種較新的鉚接工藝，通過鉚頭繞軸小角度回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及下壓運(yùn)動(dòng)的綜合作用,使鉚釘流動(dòng)成形,與直壓鉚接相比,該技術(shù)具有鉚接力小、材料流動(dòng)均勻、鉚接面平整等優(yōu)點(diǎn)[5-6],目前已廣泛用于工程機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械等領(lǐng)域[7],能較好地應(yīng)用于鋁板與復(fù)合材料板等的連接。

連接件的連接質(zhì)量與多種因素有關(guān),主要有板材的制備過程、連接方式的選取及連接件的承載方式等。涉及的工藝參數(shù)如開孔位置、裝配間隙、有無墊片等[8]，均對連接件連接質(zhì)量產(chǎn)生顯著影響。本文以復(fù)合材料與鋁材為研究對象,利用擺碾鉚接技術(shù),研究了這兩種材料在不同的鉚釘預(yù)留高度、孔徑及有無墊片的情況下連接件的強(qiáng)度特性,分析了這些因素對連接件連接質(zhì)量的影響。

1碾鉚及拉伸試驗(yàn)

1.1材料準(zhǔn)備

試驗(yàn)選用板料為玻璃纖維樹脂基復(fù)合材料與1050A工業(yè)純鋁(性能參數(shù)見表1),尺寸均為3 mm×40 mm×150 mm,制孔邊距為20 mm，端距為25 mm；連接方式為單剪搭接，如圖1所示。搭接部分長度為50 mm。鉚釘為鋼制實(shí)心鉚釘，尺寸為φ6 mm×16 mm。

表1　復(fù)合材料板性能數(shù)據(jù)

(a)鉚接前

(b)鉚接后圖1　擺碾鉚接單剪搭接形式

在鉚接及靜拉伸試驗(yàn)中考慮參數(shù)分別為有無墊圈、鉚釘預(yù)留高度H及孔徑D，預(yù)留高度為鉚接完成后鉚釘桿的鐓粗高度。分組試驗(yàn)的標(biāo)注以RGHDX表示。其中，R表示鉚接方式為擺碾鉚接(rolling riveting);G取值為0、1,分別表示無墊圈和有墊圈;H取值為1、2、3、4,分別表示預(yù)留高度取值為1、2、3、4 mm;D取值為0、1、2,分別表示孔徑D取值為5.9、6.0、6.1 mm;X為編號(hào)。鉚釘?shù)闹睆綖?.0 mm。研究對象及相應(yīng)水平值如表2所示。

表2　參數(shù)分類匯總

1.2連接方式

圖2　擺動(dòng)碾壓鉚接示意圖

試件的連接方式采用擺動(dòng)碾壓鉚接,工作示意圖見圖2，圖中，鉚頭與鉚釘軸線成一定夾角，在繞鉚釘軸線做連續(xù)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)做下壓運(yùn)動(dòng)，使鉚釘頭受到連續(xù)局部碾壓作用逐漸變形成為所需形狀。鉚接設(shè)備為瑞威特BM20液壓立式鉚接機(jī)，最大鉚接力能達(dá)到65 kN,手動(dòng)設(shè)定試件的預(yù)留高度值，鉚接中有1~2 s的保壓時(shí)間,使鉚接頭受力均勻。在鉚接過程中，將鋁板作為上板，使鉚釘頭鐓粗成形于鋁板板面,這是因?yàn)樵谠囼?yàn)中存在一定的誤差,若將復(fù)合材料板作為上板，則在鉚接過程中，鉚釘?shù)牟牧狭鲃?dòng)可能會(huì)對復(fù)合材料板造成擠壓，而復(fù)合材料本身具有脆性，受擠壓時(shí)會(huì)造成表層纖維斷裂，形成局部的應(yīng)力集中，造成板材靜拉伸強(qiáng)度降低。此外，采用鉚接方式在傳遞局部載荷時(shí)容易形成應(yīng)力集中從而加速構(gòu)件的拉伸或疲勞破壞，鉚接過程中在鉚釘孔周圍產(chǎn)生的殘余應(yīng)力在一定程度上影響連接質(zhì)量[9]。制孔方式同樣對板料的強(qiáng)度產(chǎn)生影響,由于復(fù)合材料層間強(qiáng)度低,抗沖擊能力差,所以采用鉆頭銑孔的試件的層間剪切強(qiáng)度能夠比采用鉆頭鉆孔的試件的層間剪切強(qiáng)度提高15%左右[10]。由鉆頭鉆孔得到的樣件的孔邊緣及內(nèi)壁多毛刺，復(fù)合材料板同時(shí)會(huì)出現(xiàn)分層發(fā)白現(xiàn)象,而銑孔得到的樣件孔的質(zhì)量相對較好，比較平滑，可見鉆孔對復(fù)合材料的損傷要比銑孔造成的損傷大。鋁板具有良好的延展性，與復(fù)合材料板相比能更好地消除試驗(yàn)誤差對板料連接件拉伸強(qiáng)度的不良影響。試件靜強(qiáng)度拉伸試驗(yàn)采用瑞格爾RGM4030型試驗(yàn)機(jī),采用位移控制,加載速度為2 mm/min。

2靜拉伸強(qiáng)度分析

2.1墊圈對試件拉伸強(qiáng)度的影響

墊圈材料為304不銹鋼,在釘頭及釘桿變形處均加裝墊圈以研究墊圈對試件拉伸性能的影響。保持孔徑與預(yù)留高度不變,分別為D=6.0 mm，H=2 mm。對加墊圈及無墊圈的擺碾鉚接試件進(jìn)行靜拉伸試驗(yàn),試驗(yàn)共分3組，得到載荷F和位移S的曲線關(guān)系。取數(shù)據(jù)較收斂的兩組試驗(yàn)，作出各試件的峰值載荷對比圖和載荷-位移曲線,分別如圖3、圖4所示。

圖3　各試件峰值載荷對比圖

圖4　各參數(shù)試件的載荷-位移曲線對比圖

在試件拉伸初始階段，載荷-位移曲線近似為直線,可視為近彈性階段，隨著載荷逐漸增大，復(fù)合材料板開始出現(xiàn)明顯的破壞。由于復(fù)合材料板為脆性材料，因此其破壞為斷裂，微觀下體現(xiàn)為纖維逐層發(fā)生斷裂。鋁板為塑性材料，在較大載荷作用下也發(fā)生一定的塑性流動(dòng)，宏觀下表現(xiàn)為沿過釘載點(diǎn)縱向的擠壓變形。隨著載荷的增大，無墊圈試件在較短時(shí)間內(nèi)即達(dá)到峰值載荷并逐漸發(fā)生失效，而有墊圈試件仍可以緩慢加載至峰值，但達(dá)到峰值載荷后即立刻發(fā)生斷裂失效。鋁板與復(fù)合板連接件的失效為復(fù)合板的完全斷裂,而鋁板有一定的塑性變形。由圖3可知，加墊圈后試件在水平拉伸作用下承載能力提高約52%，抗拉性能顯著增強(qiáng)。由圖4也可以看出,在整個(gè)拉伸過程中，加墊圈試件的載荷值均大于無墊圈試件的載荷值，加墊圈試件有較長的保載過程，即與無墊圈試件相比能產(chǎn)生較好的抗拉伸性能。加墊圈后失效位移與無墊圈試件相比能提高40%左右。這是因?yàn)樵陬A(yù)留高度為2 mm的條件下，擺動(dòng)碾壓作用下得到的鉚頭及平頭直徑均小于墊圈的外徑，另外，由于鉚頭變形發(fā)生在鋁板板面，產(chǎn)生了一定的材料塑性流動(dòng)，這樣加墊圈試件的鉚釘與板材的接觸面積增大，能形成更大的摩擦力以抵消水平拉伸力，從而能夠在較大位移變形下仍能保持為連接狀態(tài)。此外，采用合適的墊圈也可以限制釘桿的膨脹，控制干涉量[11],降低對復(fù)合材料縱向纖維的破壞?？傮w來看，加墊圈的擺碾鉚接試件具有更好的抗拉綜合性能。

2.2孔徑對試件拉伸強(qiáng)度的影響

孔徑對試件拉伸強(qiáng)度的影響主要包括兩方面：其一,制孔方式對孔內(nèi)壁的光整性即表面狀態(tài)或性能產(chǎn)生的影響；其二,不同的孔釘間隙對干涉量會(huì)產(chǎn)生較大影響。而采用鉚接方式連接板件時(shí)由于釘桿產(chǎn)生流動(dòng)變形使分析更為復(fù)雜。另外，開孔位置也會(huì)對連接性能產(chǎn)生一定影響，主要體現(xiàn)在寬度與孔徑的比率上[12]。

為了研究孔徑對試件抗拉伸性能的影響設(shè)置了3個(gè)變量,即孔徑D分別為5.9、6.0、6.1 mm,每個(gè)變量均對應(yīng)3組試驗(yàn),由試驗(yàn)數(shù)據(jù)取平均值,得到不同孔徑峰值載荷圖與載荷-位移曲線對比圖,分別如圖5、圖6所示。

圖5　不同孔徑試件峰值載荷對比圖

圖6　不同孔徑下載荷-位移曲線對比圖(無墊圈，H=2 mm)

由峰值載荷對比結(jié)果可知，孔徑為5.9 mm時(shí)峰值載荷較大，其次為孔徑為6.0 mm時(shí)的峰值載荷，孔徑為6.1 mm時(shí)位移峰值載荷最小，但峰值載荷相差均不超過10%，因此，孔徑對試件的峰值載荷影響不大?？讖讲煌瑫r(shí)拉伸得到的載荷-位移曲線在初始階段也較為接近，區(qū)別主要在于達(dá)到最大載荷直到失效的破壞位移略有不同。破壞位移與孔徑成正比即孔徑為5.9 mm時(shí)位移最小，孔徑為6.0 mm時(shí)其次，孔徑為6.1 mm時(shí)位移最大。這是由于在擺碾過程中，鉚釘桿在孔內(nèi)發(fā)生擴(kuò)張變形，從而擠壓孔內(nèi)壁。當(dāng)孔徑為5.9 mm時(shí)，鉚釘與孔為過盈配合，在碾壓力的作用下，鉚釘與板料的擠壓更為嚴(yán)重，在復(fù)合板孔內(nèi)，材料擠壓導(dǎo)致復(fù)合板層板內(nèi)的纖維斷裂與樹脂破碎，從而降低了復(fù)合板的承載強(qiáng)度，而在鋁板孔內(nèi)，鉚釘材料流動(dòng)造成鋁板的初始擠壓破壞。這樣，在拉伸載荷逐漸增大的過程中，復(fù)合板由于部分纖維斷裂無法在峰值載荷的作用下產(chǎn)生更大的位移，而鋁板由于硬化作用也限制了更多的塑性流動(dòng)，因此，孔徑為5.9 mm時(shí)其失效位移較小。當(dāng)孔徑為6.0 mm或6.1 mm時(shí)，材料間的擠壓初始破壞相對較小，能夠保持較長時(shí)間的保載過程。由于連接形式為擺動(dòng)碾壓鉚接，鉚釘桿部變形均充滿孔隙并形成不同程度的材料擠壓，因此連接件的破壞形式均為拉伸破壞及孔邊擠壓破壞。另外,由被測試件的拉伸數(shù)據(jù)可知，三種參數(shù)的抗拉強(qiáng)度相近。但孔徑為6.0 mm時(shí)試件的抗拉伸性能穩(wěn)定性較好，數(shù)據(jù)較為收斂，因此綜合來看：孔徑為6.0 mm時(shí)板料的靜拉伸性能較好。

2.3鉚釘預(yù)留高度對試件抗拉強(qiáng)度的影響

在擺碾鉚接過程中，通過預(yù)先設(shè)置鉚頭下降量可以得到不同的鉚釘剩余高度即預(yù)留高度H，分別為1，2，3，4 mm，由Origin軟件得到鋼鉚釘不同預(yù)留高度的峰值載荷圖及載荷-位移曲線，如圖7、圖8所示。

圖7　鋼鉚釘不同預(yù)留高度峰值載荷對比圖(無墊圈，D=5.9 mm)

圖8　鋼鉚釘不同預(yù)留高度載荷-位移曲線

鉚釘不同預(yù)留高度對應(yīng)的是鉚釘桿的變形量，預(yù)留高度越大則鉚釘受擠壓變形量越少,反之越多。而鉚釘變形主要包括鉚釘桿在孔內(nèi)的擴(kuò)張和鉚釘頭在板料表面的徑向流動(dòng)。結(jié)合圖7與圖8可知，峰值載荷隨預(yù)留高度的增大而逐漸減小，即當(dāng)H=1 mm時(shí)峰值載荷最大，而當(dāng)H=4 mm時(shí)峰值載荷最小,在拉伸過程的保載階段,H越大,載荷越小。H為1 mm和2 mm時(shí)峰值載荷相差不大,但H=2 mm時(shí)有較長的保載過程，而與H=4 mm相比,承載能力較強(qiáng)。預(yù)留高度的大小與連接件拉伸性能基本成反比關(guān)系。這是因?yàn)殡S著預(yù)留高度的增大,鉚釘?shù)淖冃螠p小，鐓粗效果較差。一方面,鉚釘桿與孔內(nèi)壁的接觸面積減小，即在拉伸作用下鉚釘?shù)氖芰γ娣e減小，在相同的載荷作用下應(yīng)力增大，從而在較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到強(qiáng)度極限而破壞；另一方面，預(yù)留高度增大意味著鉚頭變形后與鋁板之間接觸面積減少甚至產(chǎn)生孔隙，這樣作用在復(fù)合板上的力得不到有效分散就會(huì)迅速增大到強(qiáng)度極限從而發(fā)生破壞[13]。從試件外觀來講，當(dāng)H為2 mm或3 mm時(shí),鉚接件性能較好。

2.4銅、鋁鉚釘連接件性能分析

選取銅鉚釘、鋁鉚釘若干,尺寸為φ6 mm×16 mm,分別進(jìn)行擺碾鉚接及拉伸試驗(yàn)。在墊圈因素試驗(yàn)中,加裝墊圈的銅鉚釘試件抗拉伸性能較未裝墊圈的銅鉚釘試件抗拉性能得到較大提升,其破壞形式主要為復(fù)合材料的拉斷。而鋁鉚釘由于其自身強(qiáng)度較低,試件在拉伸中一般為鋁鉚釘?shù)募羟衅茐?有無墊圈對其拉伸性能影響很小?？讖揭蛩卦囼?yàn)中，不同孔徑鉚接件的抗拉伸性能差別很小，故在此性能分析中板料孔徑均取6.0 mm。

在預(yù)留高度因素試驗(yàn)中,預(yù)留高度H分別取1、2、3、4 mm,試件分別以H1、H2、H3、H4表示。圖9為銅鉚釘不同預(yù)留高度試件的載荷-位移曲線,銅鉚釘試件的破壞形式與鋼鉚釘試件類似。鋁鉚釘試件的破壞形式全部為鉚釘?shù)募羟衅茐?隨著預(yù)留高度增大，鉚釘桿的鐓粗程度減小，抗拉伸性能降低，當(dāng)H取3 mm和4 mm時(shí)載荷-位移曲線幾乎重合,故在鋁鉚釘試件預(yù)留高度影響對比分析中，取H為1、2、3 mm作為研究對象分析。每組試件數(shù)據(jù)取平均值，得到載荷-位移曲線如圖10所示。

圖9　銅鉚釘不同預(yù)留高度載荷-位移曲線

圖10　鋁鉚釘不同預(yù)留高度載荷-位移曲線

由圖9可知,銅鉚釘試件的抗拉伸性能在拉伸位移s大于3 mm后,隨著預(yù)留高度的增大而逐漸降低。不同預(yù)留高度試件的載荷-位移曲線在初始階段(s<3 mm時(shí))幾乎重合,表明拉伸試驗(yàn)開始時(shí),試件所受到的拉力主要由鉚頭變形后與鋁板表面形成擠壓得到的摩擦面承受，之后隨著位移增大,拉力主要作用在鉚釘桿上,在相同載荷的作用下,預(yù)留高度越大，鉚釘桿所受的應(yīng)力越大,從而隨著位移增大鉚釘逐漸失效。當(dāng)H=1 mm時(shí)試件有較長時(shí)間的保載過程,試件性能比較好。由圖10可知,不同預(yù)留高度的鋁鉚釘試件的載荷-位移曲線相差不大，拉伸初始階段與銅鉚釘試件類似，拉力主要由擺碾形成的摩擦面承受;隨著載荷增大,鉚釘桿由于其塑性在軸向發(fā)生一定的傾斜變形，所受應(yīng)力迅速達(dá)到強(qiáng)度極限，發(fā)生剪切破壞。

2.5試樣破壞形式

由于復(fù)合材料本身的各向異性等原因,復(fù)合材料層合板的失效模式比較復(fù)雜，主要有拉伸、剪切、擠壓、劈裂以及各種組合失效模式[14]。材料類型、連接形式、試件尺寸參數(shù)等都會(huì)對失效結(jié)果產(chǎn)生影響。在軸向拉伸作用下復(fù)合材料板與鋁板連接試件的失效主要為復(fù)合板的拉伸與擠壓組合失效以及鋁板的孔邊擠壓破壞。復(fù)合材料孔邊處由于應(yīng)力集中首先達(dá)到材料的拉伸強(qiáng)度而破壞,再加上復(fù)合材料脆性較強(qiáng)，一點(diǎn)破壞即可迅速導(dǎo)致孔邊沿板材的橫截面整體拉斷從而整體破壞[15]。圖11a所示為有墊圈試件與無墊圈試件的失效對比，可見墊圈對拉伸結(jié)果有明顯影響，加墊圈試件的復(fù)合板上有明顯的由鉚接過程造成的壓痕，這在一定程度上說明加墊圈試件承載能力提高了。對于預(yù)留高度對破壞形式的影響，當(dāng)H為1 mm時(shí),試件多為拉脫與孔邊擠壓破壞,如圖11b所示，并伴隨著較明顯的二次彎曲效應(yīng)，如圖11c所示；當(dāng)H為2、3 mm時(shí),破壞形式表現(xiàn)為復(fù)合板的拉伸破壞與孔邊擠壓破壞;而當(dāng)H為4 mm時(shí)，由于縱向受力面積較小而應(yīng)力增大,在整體拉伸破壞的基礎(chǔ)上表現(xiàn)出一定的剪切破壞形式，如圖11d所示。銅鉚釘試件的失效形式仍以復(fù)合材料板發(fā)生斷裂為主，伴有明顯的二次彎曲效應(yīng)，少量試件出現(xiàn)復(fù)合材料板的剪切破壞。鋁鉚釘試件的破壞形式是鉚釘?shù)募羟衅茐模瑥?fù)合材料板表層也有剝離現(xiàn)象發(fā)生，如圖11e、圖11f所示。

3鋼鉚釘金相試驗(yàn)

取鉚接好的鋼鉚釘試件，其鉚釘預(yù)留高度H為1、2、3、4 mm以及板料孔徑分別為5.9、6.0、6.1 mm，將鉚接件沿鉚釘中線剖切,對剖面進(jìn)行金相組織觀察。主要觀察大變形區(qū)即鉚釘桿頭部以及孔內(nèi)的鉚釘桿中部，鉚釘剖面圖及金相圖見圖12。

(a)有無墊圈試件對比(b)拉脫破壞

(c)試件產(chǎn)生二次彎曲(d)試件剪切破壞

(e)鋁鉚釘試件剪切破壞圖(鋁板表面)(f)鋁鉚釘試件剪切破壞圖(復(fù)合材料表面)圖11　試件破壞形式

(a)鉚釘剖面圖(b)H=2 mm鉚釘桿中部金相組織

(c)H=1 mm大變形區(qū)金相組織(d)H=2 mm大變形區(qū)金相組織圖12　板料孔徑為6.0 mm時(shí)鋼鉚釘剖面及金相圖

所用鋼鉚釘?shù)慕鹣嘟M織主要為珠光體和鐵素體。由于在擺碾過程中,鉚釘桿中部及下部受擠壓所形成的鐓粗程度較小,因而鐵素體和珠光體晶粒仍比較規(guī)則，晶界比較明顯，可以較容易地觀測到，預(yù)留高度對其影響較小,如圖12b所示。而在鉚釘桿的上部，鋼材受擠壓程度隨著預(yù)留高度的降低而增大,圖12c、圖12d分別為預(yù)留高度為1 mm和2 mm的鉚釘大變形區(qū)內(nèi)部晶粒,在金相圖中可以看到鐵素體和珠光體受擠壓變得扁平，其變形程度隨預(yù)留高度的增大而減小，宏觀上表現(xiàn)為鉚釘桿頭部較大程度的鐓粗。另外，由于擺碾頭繞鉛垂線呈一定角度轉(zhuǎn)動(dòng)，因此受壓面表層變形后的晶粒與鉚釘中線有一定夾角，而深層晶粒則不存在這種現(xiàn)象。鉚釘材料流動(dòng)擠壓鋁板造成塑性變形從而與鋁板接合緊密，在孔內(nèi)鉚釘與鋁板接觸面附近的晶粒變形程度相對較小。板料孔徑的細(xì)微變化對鋼鉚釘金相組織影響較小。

4試樣耐腐蝕性能分析

用鋼鉚釘、銅鉚釘及鋁鉚釘進(jìn)行鉚接試驗(yàn)(板料孔徑為6.0 mm，鉚釘預(yù)留高度為2 mm)，在室溫下取一定量硫酸配制為1 mol/L的硫酸溶液，將試件分別置于溶液中進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)，腐蝕時(shí)間分別為2、4、6 h；然后將試件取出，用光學(xué)顯微鏡觀察試件鉚釘與板料貼合處，發(fā)現(xiàn)無明顯腐蝕痕跡；將經(jīng)硫酸溶液腐蝕過的試件進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，得到的峰值載荷及載荷-位移曲線如圖13~圖16所示。

圖13　峰值載荷對比

圖14　鋼鉚釘試件載荷-位移曲線

圖15　銅鉚釘試件載荷-位移曲線

圖16　鋁鉚釘試件載荷-位移曲線

硫酸溶液腐蝕對不同材料鉚釘連接件的拉伸性能影響較小。同一種材料的試件未經(jīng)腐蝕和分別經(jīng)過2、4、6 h稀硫酸溶液浸泡后進(jìn)行拉伸試驗(yàn)得到的峰值載荷相差不大。鋼、銅鉚釘連接件峰值載荷明顯高于鋁鉚釘連接件峰值載荷。而載荷-位移曲線表明,隨著腐蝕時(shí)間延長,試件的抗拉伸性能有一定程度的降低，主要體現(xiàn)在最終破壞失效所需的時(shí)間上，即腐蝕時(shí)間的增長能使試件更快地達(dá)到失效狀態(tài)。鋼鉚釘試件腐蝕與否對其抗拉伸性能影響不大；銅鉚釘試件腐蝕有一定影響；鋁鉚釘試件腐蝕影響最小，原因是在拉伸過程中的主要破壞因素是鋁鉚釘本身的剪切破壞，腐蝕對試件抗拉伸性能的影響沒有得到充分的體現(xiàn)。另外，由于未經(jīng)腐蝕的鋼、銅、鋁鉚釘試件的抗拉伸性能存在較大差別，而2、4、6 h的腐蝕對這三種試件的性能影響不大，因此,較短時(shí)間的腐蝕對不同鉚釘材料連接件的耐腐蝕性影響較小。

5結(jié)論

(1)加裝墊圈對鉚接件的抗拉伸性能有顯著影響，承載能力比不加墊圈鉚接件承載能力提高50%左右；孔徑D對拉伸強(qiáng)度影響不大，但D為6.0 mm時(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)收斂性較好，性能穩(wěn)定；試件抗剪切性能基本與預(yù)留高度H成反比，H為2 mm時(shí)綜合性能較好。因此加墊圈、孔徑為6.0 mm，預(yù)留高度取2 mm時(shí)，試件有比較高的強(qiáng)度性能。

(2)鋼、銅鉚釘鉚接件中鋁板與復(fù)合材料連接在單向拉伸作用下的失效形式主要為復(fù)合材料的斷裂與孔邊的擠壓破壞，預(yù)留高度為1 mm的試件出現(xiàn)鉚釘從復(fù)合板的剝離并伴隨較明顯的翹曲現(xiàn)象。而鋁鉚釘鉚接件的破壞形式均為鋁鉚釘?shù)募魯?。此外，不同鉚釘試件中鋁板都會(huì)出現(xiàn)一定程度的擠壓變形。

(3)擺碾過程中鉚釘桿頭部受擠壓而鉚釘材料流動(dòng)，鉚釘內(nèi)部晶粒受力而變形為扁平狀，且鉚釘受壓面表層的扁平狀晶粒與鉚釘中線成一定夾角；1 mol/L濃度硫酸溶液在所規(guī)定的腐蝕時(shí)間內(nèi)對試驗(yàn)中各類鉚接件的連接性能均無顯著影響。

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(編輯王艷麗)

Huang Zhichao1Zhang Yongchao1Peng Xilin1Guan Changhai1

Lai Jiamei2Zhou Zejie1Zhang Yuying3

1.East China Jiaotong University,Nanchang,330013

2.Nanchang University,Nanchang,330031

3.Nanchang Institute of Science and Technology,Nanchang,330108

Abstract:Through rolling riveting and tensile tests of aluminum and composite sheets, this paper analyzed the influences of gasket,different reserved heights of rivets and apertures on connection quality. The results show that the most affects on tensile properties are gaskets, and the bearing capacity of test piece with gasket may be updated by around 50%. Reserved heights have a certain affect on connection performance. Tensile properties declines with increase of rivet height. Bearing capacities are almost the same when the height is as 1.0 mm or 2.0 mm.Aperture has little effect on connection quality. The test results of 6.0mm apertures are better than these of 5.9mm and 6.1mm apertures. Mechanism of connection performance promotion was explained in aspect of microstructure through metallographic test for specimen with steel rivets. The same tests were conducted by using copper and aluminum rivets, and the results are similar. Corrosion tests of different times show that the corrosion of sulfuric acid solution has little effect on tensile properties in a short period of time.

Key words:rolling riveting;composite;reserved height;tensile property

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51265012)；江西省贛鄱英才555工程領(lǐng)軍人才培養(yǎng)計(jì)劃資助項(xiàng)目(贛才字[2012]1號(hào))

收稿日期：2015-06-08

中圖分類號(hào)：TG115.5DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.23.017

作者簡介：黃志超,男,1971年生。華東交通大學(xué)載運(yùn)工具與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授、博士。主要研究方向?yàn)榘辶线B接技術(shù)、模具CAD/CAE。張永超，男，1991年生。華東交通大學(xué)載運(yùn)工具與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室碩士研究生。彭熙琳，女，1991年生。華東交通大學(xué)載運(yùn)工具與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室碩士研究生。管昌海，男，1989年生。華東交通大學(xué)載運(yùn)工具與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室碩士研究生。賴家美，女，1974年生。南昌大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院副教授。周澤杰,女,1979年生。華東交通大學(xué)載運(yùn)工具與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士研究生。張玉英，女，1970年生。南昌工學(xué)院機(jī)械與車輛工程學(xué)院副教授。