刘洋等：钛铝异质自冲铆接头疲劳性能及失效机理 ·479· 汽车发展的潮流.大量研究表明，汽车自重每下降 (AL1420),尺寸均为110mm×20mm×1.5mm,板 10%油耗下降6%~8%污染物排放下降4%C02 材力学性能参数如表1所示.采用德国Bollhoff公 排放下降13%：车重减少100kg,每升油可多行驶1 司生产的自冲铆接设备(RIVSET VARIO-FC km.汽车轻量化会减小动力和动力传动系统的负 (MTF))制备TA1一AL1420单搭自冲铆接头和 荷，可在较低的牵引负荷下表现出同样或更好的性 AL1420-TA1单搭自冲铆接头，各组接头编号如表2 能.而汽车车身重量大约占整车重量的40%，车身 所示.实验所用铆钉为6mm长的半空心铆钉，接头 轻量化对于整车轻量化而言效果显著习.因此，大 尺寸见图1，每组各制备25个试件 量轻金属应用于汽车结构设计制造中.钛及铝锂合 表1板材力学性能参数 金具有密度小，比强度高，良好的耐热性能和耐腐蚀 Table 1 Mechanical properties of sheet materials 性，在汽车及航空航天制造业中得到广泛应用B- 屈服强度/ 弹性模量/ 抗拉强度/ 伸长率/ 用传统连接方式连接轻合金板材时接头可靠性差， 材料 MPa GPa MPa % 甚至无法实现其有效连接：自冲铆接作为一种薄板 TAl 396.8 98.5 402.5 33.0 材料连接新技术，在连接新轻型合金、复合材料等难焊 AL1420 294.9 69.0 364.6 14.2 接薄板材料方面有着无可替代的地位5- 表2接头编号 近年来，国内外学者对自冲铆接技术做了相关 Table 2 Number of joints 研究.卢毅等阁研究了局部热处理对钢一钛组合自 接头编号 上板 下板 冲铆接头力学性能的影响，得出淬火处理提高了接 TA TAI AL1420 头的静强度.Chung与Kim对l.5mm厚的 AT AL1420 TAI AA5052铝合金和冷轧碳钢板(SPCC)组合自冲铆接 下板 铆钉 上板 垫片 头进行实验研究，结果表明SPCC-AA5052接头的 静强度大于AA5052-SPCC接头，但其疲劳强度小 于AA5052-SPCC接头.Zhao等o研究了基板厚度 对AA5052铝合金自冲铆接头疲劳性能及微动行为 20 的影响，得出接头疲劳寿命在低疲劳载荷下受板厚 110 影响较大，接头疲劳寿命随板厚增加而增长.Gay 图1接头尺寸（单位：nm) 等m研究了铆钉形状、温度等因素对铝合金(AA5182- Fig.I Dimensions of the joints (unit:mm) O)和玻璃纤维增强热塑性复合材料(PA6.6-GF50, 1.2力学性能实验 PA6.6GF63)异质组合自冲铆接头疲芳性能的影响， 力学性能测试在MTS Landmark1000电液伺服材 研究表明复合材料的种类会显著影响自冲铆接头疲劳 料试验机上进行.静力学实验中，为降低由于不对 极限值.邓成江等回研究了铜一铝合金异质自冲铆接 中所产生的扭矩，在试件两端夹持尺寸为25mm× 头疲劳性能，并对接头疲劳裂纹扩展类型进行分析. 20mm×1.5mm的垫片：设定拉伸速率为5mm· 钛和铝锂合金因其特有的优异性能被广泛应用 min-.从各组25个接头中随机选取10个进行10 于航空航天和汽车制造业中，相对于传统连接技术， 次重复性拉伸一剪切实验 自冲铆接在连接异种金属板材方面具有明显的优 依据静力学实验所得的静失效载荷均值，将剩 势.目前对钛合金自冲铆接头疲劳性能的研究还相 余15个接头用于疲劳性能测试实验.疲劳实验中 对较少.本文以TA1纯钛和AL1420铝锂合金异质自 设置应力比R=0.1,频率f=10Hz;在拉-拉模式下 冲铆接头为研究对象，对两组接头进行静力学实验和 施加正弦波形载荷；试件两端加持尺寸为25mm× 疲劳实验，研究上下板组合方式对接头疲劳强度的影 20mm×1.5mm的垫片；依据预疲劳实验结果，分别 响，并分析了接头疲劳失效机理及微动磨损机理，以期 以TA1-AL1420(TA)和AL1420-TA1(AT)接头静 为新轻型合金在工程实际中的应用提供相关参考. 失效载荷均值的50%、30%、18%和60%、35%、 1实验 25%作为对应的疲劳载荷水平，且每个载荷水平下 均测试3个试件；此外，将疲劳循环次数超过200万 1.1试件制备 或试件出现明显裂纹作为该试件的失效判据.接头 实验所用板材为纯钛板(TA1)和铝锂合金板 疲劳失效试件如图2所示.刘 洋等: 钛铝异质自冲铆接头疲劳性能及失效机理 汽车发展的潮流． 大量研究表明，汽车自重每下降 10 !，油耗下降 6 !～ 8 !，污染物排放下降 4 !，CO2 排放下降 13% ; 车重减少 100 kg，每升油可多行驶 1 km． 汽车轻量化会减小动力和动力传动系统的负 荷，可在较低的牵引负荷下表现出同样或更好的性 能． 而汽车车身重量大约占整车重量的 40% ，车身 轻量化对于整车轻量化而言效果显著［1--2］． 因此，大 量轻金属应用于汽车结构设计制造中． 钛及铝锂合 金具有密度小，比强度高，良好的耐热性能和耐腐蚀 性，在汽车及航空航天制造业中得到广泛应用［3--4］． 用传统连接方式连接轻合金板材时接头可靠性差， 甚至无法实现其有效连接; 自冲铆接作为一种薄板 材料连接新技术，在连接新轻型合金、复合材料等难焊 接薄板材料方面有着无可替代的地位［5--7］． 近年来，国内外学者对自冲铆接技术做了相关 研究． 卢毅等［8］研究了局部热处理对钢--钛组合自 冲铆接头力学性能的影响，得出淬火处理提高了接 头 的 静 强 度． Chung 与 Kim［9］ 对 1. 5 mm 厚 的 AA5052 铝合金和冷轧碳钢板( SPCC) 组合自冲铆接 头进行实验研究，结果表明 SPCC--AA5052 接头的 静强度大于 AA5052--SPCC 接头，但其疲劳强度小 于 AA5052--SPCC 接头． Zhao 等［10］研究了基板厚度 对 AA5052 铝合金自冲铆接头疲劳性能及微动行为 的影响，得出接头疲劳寿命在低疲劳载荷下受板厚 影响较大，接头疲劳寿命随板厚增加而增长． Gay 等［11］研究了铆钉形状、温度等因素对铝合金( AA5182-- O) 和玻璃纤维增强热塑性复合材料( PA6. 6--GF50， PA6. 6--GF63) 异质组合自冲铆接头疲劳性能的影响， 研究表明复合材料的种类会显著影响自冲铆接头疲劳 极限值． 邓成江等［12］研究了铜--铝合金异质自冲铆接 头疲劳性能，并对接头疲劳裂纹扩展类型进行分析． 钛和铝锂合金因其特有的优异性能被广泛应用 于航空航天和汽车制造业中，相对于传统连接技术， 自冲铆接在连接异种金属板材方面具有明显的优 势． 目前对钛合金自冲铆接头疲劳性能的研究还相 对较少． 本文以 TA1 纯钛和 AL1420 铝锂合金异质自 冲铆接头为研究对象，对两组接头进行静力学实验和 疲劳实验，研究上下板组合方式对接头疲劳强度的影 响，并分析了接头疲劳失效机理及微动磨损机理，以期 为新轻型合金在工程实际中的应用提供相关参考． 1 实验 1. 1 试件制备 实验所用板材为纯钛板( TA1) 和铝锂合金板 ( AL1420) ，尺寸均为 110 mm × 20 mm × 1. 5 mm，板 材力学性能参数如表 1 所示． 采用德国 Bllhoff 公 司生产的自冲铆接设备 ( ＲIVSET VAＲIO-- FC ( MTF) ) 制 备 TA1--AL1420 单搭自冲铆接头和 AL1420--TA1 单搭自冲铆接头，各组接头编号如表 2 所示． 实验所用铆钉为 6 mm 长的半空心铆钉，接头 尺寸见图 1，每组各制备 25 个试件． 表 1 板材力学性能参数 Table 1 Mechanical properties of sheet materials 材料 屈服强度/ MPa 弹性模量/ GPa 抗拉强度/ MPa 伸长率/ % TA1 396. 8 98. 5 402. 5 33. 0 AL1420 294. 9 69. 0 364. 6 14. 2 表 2 接头编号 Table 2 Number of joints 接头编号 上板 下板 TA TA1 AL1420 AT AL1420 TA1 图 1 接头尺寸( 单位: mm) Fig． 1 Dimensions of the joints ( unit: mm) 1. 2 力学性能实验 力学性能测试在 MTS Landmark100 电液伺服材 料试验机上进行． 静力学实验中，为降低由于不对 中所产生的扭矩，在试件两端夹持尺寸为 25 mm × 20 mm × 1. 5 mm 的垫片; 设定拉伸速率为 5 mm· min － 1 ． 从各组 25 个接头中随机选取 10 个进行 10 次重复性拉伸--剪切实验． 依据静力学实验所得的静失效载荷均值，将剩 余 15 个接头用于疲劳性能测试实验． 疲劳实验中 设置应力比 Ｒ = 0. 1，频率 f = 10 Hz; 在拉--拉模式下 施加正弦波形载荷; 试件两端加持尺寸为 25 mm × 20 mm × 1. 5 mm 的垫片; 依据预疲劳实验结果，分别 以 TA1--AL1420( TA) 和 AL1420--TA1( AT) 接头静 失效 载 荷 均 值 的 50% 、30% 、18% 和 60% 、35% 、 25% 作为对应的疲劳载荷水平，且每个载荷水平下 均测试 3 个试件; 此外，将疲劳循环次数超过 200 万 或试件出现明显裂纹作为该试件的失效判据． 接头 疲劳失效试件如图 2 所示． · 974 ·