鈦合金結(jié)構(gòu)干涉配合鉚接疲勞試驗(yàn)研究*

陳允全 ，曹增強(qiáng) ，秦龍剛 ， 陳麗麗 ，嚴(yán) 厲

（1. 中航工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司，成都 610000；2. 西北工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，西安 710072）

干涉配合是在不增加結(jié)構(gòu)重量及不改變結(jié)構(gòu)形式的情況下，通過緊固件和緊固件孔之間形成一定干涉，從而在孔周形成徑向壓應(yīng)力，使孔邊緣處應(yīng)力變化的幅度顯著降低，推遲疲勞裂紋的產(chǎn)生，從而提高疲勞壽命[1-2]。鉚接是飛機(jī)結(jié)構(gòu)最主要的連接方法，鉚接質(zhì)量對飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和壽命有極大影響。干涉配合鉚接已在飛機(jī)制造中廣泛應(yīng)用，可取得很好的疲勞壽命增益[3-4]。但我國目前在飛機(jī)制造中的干涉配合鉚接工藝只限于鋁合金結(jié)構(gòu)，航標(biāo)HB/Z223.4-2004制定了半冠狀鉚釘、平錐頭鉚釘?shù)母缮媾浜香T接工藝規(guī)范[5]，但該規(guī)范只針對鋁合金結(jié)構(gòu)。鈦合金的優(yōu)異性能使其在先進(jìn)飛機(jī)制造在應(yīng)用的比例越來越大，鈦合金的優(yōu)異性能使得其在先進(jìn)飛機(jī)制造中的應(yīng)用比例越來越大[6]，如一架A380的鈦合金用量達(dá)46t[7]。鈦合金結(jié)構(gòu)和鈦合金鉚釘在我國新型飛機(jī)結(jié)構(gòu)中也已廣泛應(yīng)用，但鈦合金結(jié)構(gòu)的干涉配合鉚接目前在我國還是一個(gè)空白。作者針對某型機(jī)的實(shí)際結(jié)構(gòu)（TC4鈦合金和鈦鈮鉚釘）對其干涉配合鉚接工藝進(jìn)行了研究[8]。本文對鈦合金結(jié)構(gòu)干涉配合鉚接的疲勞性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究，為鈦合金結(jié)構(gòu)干涉配合鉚接工藝的應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)條件

為分析鈦合金結(jié)構(gòu)干涉配合鉚接的疲勞壽命增益，需要對比普通鉚接和干涉配合鉚接的疲勞性能。影響疲勞性能的因素較多，如工藝參數(shù)、應(yīng)力水平、接頭形式及應(yīng)力比等。文獻(xiàn)[4]已對鈦合金結(jié)構(gòu)干涉配合鉚接工藝參數(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，提出夾層材料為TC4，鉚釘為鈦鈮鉚釘?shù)慕Y(jié)構(gòu)，其釘孔間隙可以選擇0.08mm左右，鉚釘外伸量建議1.2～1.3d（d為鉚釘桿直徑），能夠形成的干涉量在0.6%～0.9%。因此疲勞試件的鉚接工藝參數(shù)參照以上研究結(jié)果。

干涉配合連接在孔周徑向形成壓應(yīng)力，在軸向形成拉應(yīng)力。壓應(yīng)力可以降低應(yīng)力幅值從而延緩疲勞裂紋的產(chǎn)生，提高疲勞壽命，而拉應(yīng)力的提高卻會(huì)降低疲勞壽命。最大拉應(yīng)力的提高與應(yīng)力幅值降低是一對互相矛盾的因素。一般來說，應(yīng)力水平越高，最大拉應(yīng)力提高對應(yīng)力幅值降低的抵消作用越明顯，即應(yīng)力水平提高時(shí)強(qiáng)化的疲勞增益會(huì)下降。因而干涉配合連接用于中等應(yīng)力水平或中等以下應(yīng)力水平的情況的疲勞壽命增益最顯著。參考文獻(xiàn)[1]顯示，多數(shù)金屬材料的疲勞極限是靜強(qiáng)度的30%～67%。綜合考慮試驗(yàn)成本、研究目的等，本試驗(yàn)選擇了3種應(yīng)力水平：67%、60%和50%。

試驗(yàn)采用INSTRON-K8801伺服液壓疲勞試驗(yàn)機(jī)，靜載荷精度為0.5%；動(dòng)載荷精度＜±3.0%；準(zhǔn)直度B＜0.5%；載荷比為循環(huán)載荷中的最小值與最大值之比，本試驗(yàn)采用高載傳遞接頭，載荷比取 0.1；載荷按正弦波恒幅加載；試驗(yàn)環(huán)境為空氣，溫度為15～25℃。

按照強(qiáng)化試件疲勞試驗(yàn)有關(guān)規(guī)范[5]，加載的頻率一般小于20Hz或試件溫度不超過60°的規(guī)定，本次試驗(yàn)首先試加載的頻率為20Hz，試驗(yàn)過程發(fā)現(xiàn)由于鈦合金材料散熱性差，試件溫度超過60°，最終選擇15Hz的頻率。

1.2 試件設(shè)計(jì)

試件的設(shè)計(jì)參考文獻(xiàn)[9]，試件接頭采用雙釘單剪形式，試件接頭形式如圖1所示。該試件應(yīng)與接頭試件的軋制方向相同。試件材料為TC4-M鈦板，鉚釘為鈦鈮鉚釘。

圖1 疲勞試件Fig.1 Fatigue test piece

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 普通鉚接和干涉配合鉚接的疲勞強(qiáng)度對比

圖2和圖3分別為半圓頭3.5mm和4mm鉚釘?shù)脑囼?yàn)結(jié)果。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，破壞形式均為釘斷。這是由于鈦鈮合金和TC4鈦合金的強(qiáng)度相差較大。鈦鈮合金的屈服強(qiáng)度僅有414MPa，抗拉伸強(qiáng)度為448MPa，而TC4鈦合金的屈服強(qiáng)度為900MPa，抗拉伸強(qiáng)度為950MPa。材料的疲勞極限與材料的靜強(qiáng)度之間有一定的近似關(guān)系，一般材料的屈服極限及強(qiáng)度極限越大，其疲勞極限也越大。在相同交變載荷下，鉚釘更容易發(fā)生疲勞破壞。3.5mm和4mm鉚釘?shù)母缮媾浜香T接疲勞壽命提高的幅度分別為16.2%和23.2%。

圖2 3.5mm 半圓頭鉚釘疲勞試驗(yàn)對比Fig.2 3.5mm semi round head rivet fatigue comparison

圖3 4mm 半圓頭鉚釘疲勞試驗(yàn)對比Fig.3 4mm semi round head rivet fatigue comparison

圖4為半圓頭鉚釘60%應(yīng)力水平下疲勞對比試驗(yàn)結(jié)果。試件的破壞形式仍然為釘斷，干涉配合鉚接疲勞壽命提高的幅度為51.2%，圖5、圖6分別對應(yīng)于圖4中不同鉚接性質(zhì)的試件斷裂圖。

圖4 半圓頭鉚釘60%應(yīng)力水平下疲勞對比試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Comparison results of semi round head rivet fatigue test with 60% stress level

圖5 普通鉚接疲勞試驗(yàn)典型破壞模式—釘斷Fig.5 Typical failure mode of general riveting fatigue test-nail broken

圖7為沉頭鉚釘60%應(yīng)力水平疲勞對比試驗(yàn)結(jié)果?？梢钥闯?，試件的破壞形式包括板斷和釘斷兩種。這是由于盡管鈦合金板強(qiáng)度遠(yuǎn)大于鈦鈮鉚釘，但由于锪窩削弱了板的強(qiáng)度，導(dǎo)致出現(xiàn)板先破壞的情況。另外，可以看到普通鉚接時(shí)，主要破壞形式為板斷，而干涉配合鉚接的主要破壞形式為釘斷，說明干涉配合對板有一定程度的強(qiáng)化。試驗(yàn)表明干涉配合提高疲勞壽命53.8%，圖8、圖9分別對應(yīng)于圖7中不同鉚接性質(zhì)的試件斷裂圖。

圖10為半圓頭鉚釘50%應(yīng)力水平的疲勞試驗(yàn)對比結(jié)果，其中干涉配合有兩種夾層厚度。試驗(yàn)表明干涉配合提高疲勞壽命分別為64.7%和87.8%，圖11、圖12分別對應(yīng)于圖10中不同鉚接性質(zhì)的試件斷裂圖。

2.2 不同釘孔間隙干涉配合鉚接疲勞強(qiáng)度對比

圖6 干涉配合疲勞試驗(yàn)典型破壞模式—釘斷Fig.6 Typical failure mode of interference fit fatigue test-nail broken

圖7 沉頭鉚釘疲勞試驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Fatigue test results of countersunk rivet

圖8 普通鉚接疲勞試驗(yàn)典型破壞模式—板斷Fig.8 Typical failure mode of general riveting fatigue test-plate broken

圖9 干涉配合疲勞試驗(yàn)典型破壞模式—釘斷Fig.9 Typical failure mode of interference-fit fatigue test-nail broken

圖10 半圓頭鉚釘5%應(yīng)力水平的疲勞試驗(yàn)對比結(jié)果Fig.10 Comporison results of semi round head rivet fatigue test with 5% stress level

圖11 普通鉚接疲勞試驗(yàn)破壞形式—板斷Fig.11 Failure mode of general riveting fatigue test-plate broken

圖12 干涉配合疲勞試驗(yàn)破壞形式—釘斷Fig.12 Failure mode of interference-fit fatigue test-nail broken

影響干涉配合疲勞壽命的重要因素之一是干涉量。一般干涉配合連接均有一個(gè)最佳干涉量范圍[10]，而影響干涉量的主要因素是釘孔間隙。本研究面對的實(shí)際工藝條件是TC4鈦合金板和鈦鈮鉚釘，由于兩者強(qiáng)度相差較大，實(shí)際鉚接表明很難形成大于1%的干涉量，無法達(dá)到其最佳干涉量。為研究釘孔間隙對疲勞壽命的影響，研究選用了3種典型釘孔間隙：0.05mm、0.08mm、0.13mm。圖13和圖14為兩種規(guī)格鉚釘不同釘孔間隙的疲勞試驗(yàn)結(jié)果?？梢钥闯?，釘孔間隙對疲勞壽命有較大影響，0.08mm的釘孔間隙疲勞壽命最高。

3 結(jié)論

綜合試驗(yàn)結(jié)果可以得到以下結(jié)論：

（1） 對鈦合金結(jié)構(gòu)實(shí)施干涉配合鉚接可以提高接頭疲勞壽命。

（2） 對于鈦合金結(jié)構(gòu)干涉配合鉚接接頭，隨著加載應(yīng)力水平的降低，疲勞增益更明顯；

圖13 3.5mm半圓頭鉚釘不同釘孔間隙疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig.13 3.5mm semi round head rivet different clearance fatigue test data

圖14 4mm半圓頭鉚釘不同釘孔間隙疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig.14 4mm semi round head rivet different clearance fatigue test data

（3） 釘孔間隙對疲勞壽命有較大影響，選取鈦鈮鉚釘?shù)腡C4鈦合金結(jié)構(gòu)的最佳釘孔間隙為0.08mm左右。

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