加載角度對6082鋁合金自沖鉚接接頭疲勞性能及失效模式的影響

摘要：以6082鋁合金自沖鉚接為研究對象，采用拉伸試驗、疲勞試驗、掃描電鏡觀測等手段研究了接頭疲勞裂紋擴展機理和微動磨損行為。結果表明：相較于0°、45°，加載角度90°的接頭具有最優的靜力學性能；在同一載荷水平下，接頭疲勞壽命隨加載角度的增大而增大；高周疲勞下的接頭失效為下板開裂失效，低周疲勞下的接頭失效為上板開裂和鉚釘斷裂；微動磨損影響接頭疲勞裂紋的萌生位置和擴展路徑，接頭加載角度影響接頭不同區域的微動磨損程度，加載角度90°的鉚釘頭部與上層板接觸區域、加載角度0°的下板與鉚釘腿表面接觸區域的微動磨損最嚴重。

關鍵詞：鋁合金；自沖鉚接；加載角度；疲勞性能；微動磨損

中圖分類號：TH131.1

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2025.01.015

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Influences of Loading Angle on Fatigue Characteristics and Failure Modes of

Self-piercing Riveted Joints in Aluminum Alloy 6082

LEI Fuyu1"XU Xiaoxu2"ZHAO Yaming2"LUO Jun1"MA Chao1

XU Congchang1*"LI Luoxing13

1.College of Mechanical and Vehicle Engineering，Hunan University，Changsha，410082

2.AVATR Technology Co.，Ltd.，Chongqing，401120

3.Research Institute of Hunan University in Chongqing，Chongqing，401121

Abstract： Taking the self-piercing riveting of 6082 aluminum alloy as the research object， the fatigue crack propagation mechanism and fretting wear behavior of the joints were studied by tensile tests， fatigue tests and scanning electron microscopy. The results show that compared to the 0° and 45°， the joint has the best static mechanics properties under the loading angle of 90°. Under the same load level， the fatigue life of the joints increases with the increase of the loading angles. Under high-cycle fatigue， the joints fail by cracking of the lower plate， while under low-cycle fatigue， the joints fail by cracking of the upper plate and rivet fracture. Fretting wear affects the location and propagation path of the fatigue crack initiation in the joints， and the loading angles of the joints affect the fretting wear in different areas of the joints. Under the loading angle of 90°， the fretting wear in the contact areas between rivet head and upper plate is the most serious. Under the loading angle of 0°， the fretting wear in the contact areas between lower plate and surface of the rivet leg is the most serious.

Key words： aluminum alloy； self-piercing riveting； loading angle； fatigue property； fretting wear

0"引言

近年來，汽車行業大量使用鋁合金、鎂合金來為整車減重，這對材料連接工藝提出了更嚴格的要求［1］。自沖鉚接具有無需預打孔、加工簡便快速、環境友好、外觀質量好等顯著特點，在汽車、航空等行業得到迅速發展和廣泛應用［2］。

接頭強度是影響機械產品可靠性和使用壽命的重要因素，針對自沖鉚接的靜態力學特性、疲勞微動特性，國內外學者已開展較多研究。HE等［3］研究了AL5052鋁合金、H62銅合金板材連接接頭的性能差異及變化，發現接頭強度差異主要受上板性能的影響。HAN等［4］研究了不同結構多層鋁合金板自沖鉚接接頭的靜力學性能，發現二次彎曲是單搭接頭剪切失效的主要原因，而具有雙剪切且無二次彎曲效應的接頭強度比單剪切接頭強度高。HYUCK等［5］研究了模具類型對減振鋁與其他異種材料多層板連接接頭的幾何特性和力學性能的影響。

FU等［6］研究了板厚對5754鋁合金自沖鉚接接頭疲勞特性的影響，通過試驗發現連接板厚度和載荷水平是影響疲勞壽命的關鍵因素。CHOI等［7］研究了混合加載模式下鋁合金自沖鉚接接頭的疲勞性能，評價了混合加載模式下接頭的疲勞性能差異，并用有效應力強度因子作為參數來評估疲勞壽命。張先煉等［8-9］研究了鈦合金自沖鉚接接頭的疲勞特性及裂紋擴展機理。黃志超等［10］通過斷口分析發現，鈦合金接頭鉚釘失效為脆性斷裂，疲勞裂紋萌生于鉚釘腿外側；板材斷裂為典型疲勞失效模式，裂紋萌生于鉚釘腿部和板材接觸區域。RAO等［11-12］在研究碳纖維增強聚合物CFRP與Al6111板材連接的自沖鉚接接頭中發現，鉚釘頭高于上層板的單搭接頭具有更好的剪切破壞性能及疲勞壽命。趙倫等［13-15］在研究5052鋁合金自沖鉚接接頭過程中發現接頭疲勞失效部位與微動損傷區重合，分析了接頭疲勞失效機理及其與微動損傷之間的關系。魏文杰等［16］研究了不同搭接順序下兩種鋼鋁異質自沖鉚接頭的疲勞失效機理，發現不同搭接順序的接頭疲勞裂紋均源自鉚釘腿部與下層板之間的微動磨損，但裂紋在鉚釘和下層板的擴展路徑及速率不同。HAN等［17］研究了不同板件界面條件下鋁合金自沖鉚接接頭的微動行為，發現兩板之間的固體表面潤滑劑可延緩微動損傷的發生并降低損傷程度，從而獲得更長的疲勞壽命。XING等［18］研究了搭接接觸面積和加載頻率對自沖鉚接接頭疲勞壽命及失效模式的影響，發現寬試樣（有更大的接觸面積）在增大接頭剛度的同時減少了疲勞載荷加載導致的二次彎曲，因此寬試樣的疲勞強度高于窄試樣。目前，自沖鉚接的研究集中在單個加載角度下的接頭疲勞性能，對自沖鉚接接頭在不同加載角度下的疲勞失效特性研究較少。

本文對6082-T6（3.0 mm+2.5 mm）鋁合金制成的十字形試樣進行靜態拉伸和疲勞試驗，研究接頭在加載角度0°（拉拔工況）、45°（混合工況）和90°（剪切工況）下，接頭靜態力學特性、疲勞特性的變化規律。運用掃描電子顯微鏡觀察斷口表面，探明接頭疲勞失效過程中裂紋萌生位置及裂紋擴展路徑，分析載荷水平影響接頭失效模式的根本原因，以接觸表面的損傷程度為評價標準，研究加載角度對各區域微動損傷的影響。

1nbsp;接頭靜力學與疲勞試驗

1.1"試驗材料

連接試驗使用的板材是6082-T6鋁合金型材，其抗拉強度為340 MPa，彈性模量為70.25 GPa，屈服極限為310 MPa，延伸率為15.91%。采用生產線上的Express鉚接設備對板件進行鉚接，鉚釘、凹模和板件的幾何形狀和尺寸如圖1所示，鉚釘高度為7 mm，接頭上下層板的厚度分別為3.0 mm和2.5 mm，板材尺寸均為100 mm×40 mm。

1.2"試驗方案

針對不同加載角度的拉伸及疲勞試驗，設計了圖2所示的十字接頭。本研究采用的十字接頭不能直接被試驗設備夾持。為測試自沖鉚接接頭在加載角度0°、45°、90°的靜力學和疲勞性能，設計了3種角度的接頭試驗工裝夾具，如圖3所示。

拉伸試驗在Instron3369電子萬能試驗機上進行。試驗設置2 mm/min的靜拉伸速率，采用力控制模式，以載荷下降到峰值載荷的45%為試樣完全失效判據（此時設備停止拉伸）。試驗測試溫度為室溫。

考慮到疲勞壽命具有一定的分散性，為更準地確評估各工況下接頭的疲勞性能，每組工況下均選擇7～8個載荷水平在萬能試驗機上進行疲勞測試，壽命為5000～2×106次循環，且每個載荷水平下均測試3～4個有效試件。試驗采用載荷應力比R=0.1的拉-拉加載模式，疲勞載荷以正弦波形式輸出，加載頻率f根據載荷水平大小取10～30 Hz，測試溫度為室溫。

2"接頭靜力學試驗結果與分析

根據試驗得到的試件的載荷-位移曲線如圖4所示。隨著加載角度的減小，接頭的最大載荷降低，峰值載荷處的位移越大。加載角度90°、45°、0°下的載荷峰值分別為12 331.9 N、5841.4 N和4938.7 N，對應的載荷位移為3.5 mm、5.7 mm和8.1 mm。達到峰值載荷后，加載角度90°的載荷-位移曲線下降最平緩，這是由于鉚接處在失效過程中產生了塑性變形。

圖5所示為不同加載角度下的接頭靜態失效模式——上層板與鉚釘從下層板脫出失效。不同加載角度下，下板的彎曲變形角度大于上板，且加載角度越小，下層板變形越明顯。如圖5a所示， 0°加載時，鉚釘腿部向上擠壓下層板。鉚釘材料性能優于板材，當接頭承載力大于下層板材料極限時，紐扣整圈接觸部位被擠壓、迅速脫出。如圖5b所示，45°加載（拉拔剪切混合工況）時，接頭出現鉚釘腿與下層板撕扯產生的塑性變形區，且明顯比加載角度90°的塑性變形區域小。如圖5c所示，90°加載時，鉚釘頭傾斜但沒有脫出，上層板出現凹陷，鉚釘腿在脫出下層板時與下層板表面摩擦撕扯，產生塑性變形。由圖5可得隨著加載角度的增大，下層板塑性變形程度增大。

3"接頭疲勞試驗結果與分析

3.1"接頭疲勞壽命

考慮到疲勞壽命具有一定的分散性，對十字形試樣進行3種加載角度、7～8種疲勞載荷水平的疲勞試驗來準確評估多應力工況下接頭的疲勞性能，圖6給出了3種加載角度下接頭疲勞壽命與最大疲勞載荷的關系。加載角度0°、45°、90°的疲勞載荷F（N）與壽命N（循環次數）的關系方程依次為F0°=16 506.2N-0.186，F45°=27 578.4N-0.196，F90°=44 210.6N-0.128。由圖6可知在低周水平的拐點處，45°加載角度接頭的疲勞壽命變化最劇烈。加載角度90°、45°、0°對應疲勞極限的載荷極值分別為6488.9 N、1555.6 N和1066.7 N，它們相當于對應靜強度的52.6%、26.6%、21.6%。用R1（表示回歸方程的整體擬合度）衡量曲線實際擬合的精度，其值越接近1，擬合效果越好。加載角度90°、45°、0°對應的R1分別為0.974、0.987、0.992，這說明曲線擬合效果較好，且實驗一致性較好。90°加載的極限載荷壽命遠遠高于45°、0°加載，0°、45°加載的疲勞壽命曲線幾乎平行，最大疲勞載荷的變化趨勢基本相同；45°加載的接頭強度略高于0°加載的接頭強度，說明拉拔載荷主導影響45°加載的接頭壽命。

由圖6可知，隨著加載角度的增大，疲勞壽命延長，達到同一疲勞壽命所需的疲勞載荷也增大。這是因為0°加載時，接頭鉚釘腿尾部主要受力，如圖7a中紅色區域所示。45°加載（模擬混合加載工況）時，接頭釘腿尾部和部分鉚釘頸部區域主要受力，如圖7b中紅色區域所示。90°加載時，受力區域為鉚釘頸部，如圖7c中紅色區域所示。相比于0°、45°加載，90°加載增大了受力面積，有效緩解應力集中。因此，接頭要達到相同的疲勞壽命，90°加載的接頭所承受的疲勞載荷更大。

3.2"接頭失效模式

壽命N的跨度較大，低周水平樣點分布較為集中，為形象說明載荷角、載荷水平與失效模式的關系，將最大疲勞載荷、疲勞壽命和每一組數據對應的失效模式用雙對數曲線表征，如圖8所示。加載角度0°、45°、90°的F-N擬合方程分別是lg F=-0.18lgN+4.168，lg F=-0.194lgN+4.411， lg F=-0.13lg N+4.637。加載角度0°、45°、90°的曲線都遵循線性規律，對應的線性相關系數R2分別為0.990、0.989、0.973，這說明曲線擬合得到的方程能較好描述最大疲勞載荷和壽命之間的變化規律。

由圖8可知，載荷水平下降導致接頭的疲勞失效模式發生改變。對于0°、45°加載，高載荷水平下的失效模式以鉚釘失效為主，隨著載荷水平的降低，失效位置由上層板轉變到下層板。90°加載時，高載荷水平下的接頭以上板失效為主，隨著載荷水平的降低，接頭從上板失效轉變為鉚釘失效，最后變為下板失效。

接頭疲勞失效（圖9）有上板撕裂、鉚釘斷裂、下層板紐扣脫出、下層板沿紐扣邊緣撕裂四種模式。

圖10為典型失效模式的斷口宏觀圖。由圖10a、圖10b可知，45°加載的接頭受到剪切載荷的作用，紐扣同時受到拉拔分力和剪切分力，鉚釘與紐扣夾持兩端受力不均勻，因此，0°加載的紐扣斷口表面相較于45°加載更平整。如紐扣底部宏觀裂紋圖（圖10a）所示，0°加載的下板在紐扣頸部出現裂紋，但紐扣沒有脫出失效，而是沿著板寬方向斷裂失效。45°加載的接頭存在一條半圓形斷口，如圖10b中紅色虛線框所示。

90°加載接頭的上板在高載荷水平下出現了嚴重的塑性變形，如圖10c所示。結合圖9b可以分析得到上板下表面靠近鉚釘處發生旋轉翹曲開裂，下板存在沿載荷方向摩擦滑移而產生的較大塑性變形。從圖10d能看到，下層板沿板寬方向存在兩條裂紋（最終匯合成一條橫越紐扣中心的裂紋），紐扣邊緣處還有一個裂紋源。隨著載荷的持續施加，接頭從該裂紋源處向板長方向擴展，最終導致下板失效。

3個加載角度的鉚釘失效模式均為鉚釘在上下板分離，但部分釘腿尾部殘留在下層板，如圖10f～圖10g所示。相較于0°、45°加載，90°加載的鉚釘斷口塑性變形更大，且上板在鉚釘旁約2 mm處有一條“眉型裂紋”，如圖10g紅色方框所示。

3.3"接頭裂紋擴展機理

如圖11所示，由疲勞試驗結果發現，接頭微動磨損主要發生于上板表面與鉚釘頭接觸區域（A區域）、兩板之間（B區域）、下板與鉚釘腿表面接觸區域（C區域）。接頭疲勞失效部位集中在B、C區域，說明微動磨損與接頭失效存在緊密聯系。微動磨損會加速疲勞裂紋的擴展，從而在一定程度上影響疲勞特性［19］。為深入研究接頭的微動磨損失效機理，對疲勞失效典型試樣的斷口區域微觀結構進行研究，探討鉚釘和板材的失效機理。

根據斷口的微觀形貌特征，將形貌分為疲勞源區、疲勞裂紋擴展區、瞬時斷裂區。圖12a為紐扣脫出失效模式下斷裂面的宏觀圖，圖12b～圖12e分別為區域α、A1、A2、A3的放大圖。疲勞輝紋沿紐扣外邊緣而不是沿圓周方向擴展，如圖12b所示。靠近鉚釘腿底部的A1區域呈現密集的階躍狀形貌，且存在疲勞輝紋［10］，是典型的疲勞源區形貌。A2區域存在大量的韌窩和疲勞輝紋，為裂紋擴展區。A3區域存在明顯的韌窩及撕裂棱分布，屬于典型的塑性斷裂特征?？赏茰y，疲勞裂紋萌生于鉚釘腿尖與下層板接觸位置即A1區域，并不斷向紐扣外邊緣擴展，隨著疲勞載荷持續施加，紐扣受力面積減??；直至剩余材料不足以承受載荷而發生瞬時斷裂。

圖13a為鉚釘斷裂失效斷口宏觀圖，圖13b～圖13e為黃色方框標記部位α、A1、A2、A3的微觀放大圖。由圖13b可知，靠近鉚釘外徑的斷口A1和A3區域均呈現河流形貌，晶粒明顯，晶界分明，無明顯的塑性變形，并且有二次裂紋，屬于典型的沿晶斷裂疲勞源區特征，裂紋擴展方向沿著鉚釘中心，如圖13b的黃色箭頭所示。在A2 區域中，鉚釘靠近內徑位置分布著密集的韌窩與撕裂棱。由此可知裂紋萌生于鉚釘腿外側與板件接觸位置即A1、A3區域，并沿晶界不斷向鉚釘內側擴展延伸，直至鉚釘截面不能承受載荷發生瞬時斷裂失效。

下層板沿紐扣邊緣斷裂的失效宏觀斷口形貌如圖14a所示，圖14b～圖14d為黃色方框標記部位A1、A2、A3的放大圖。A1區域斷面平整光滑，呈現密集牛舌狀形貌，疲勞條紋清晰，是典型的疲勞源區，根據橫向疲勞輝紋的萌生方向可得裂紋朝板厚方向擴展的速率比板寬方向快。A2區域存在少量韌窩和沿板寬方向延伸的豎向疲勞條紋，屬于疲勞裂紋擴展區。遠離鉚釘的A3區域分布大量的橫向二次裂紋，說明該區域疲勞裂紋擴展極快，接近瞬斷區。裂紋擴展路徑如圖14a中黃色箭頭所示。由此可知疲勞裂紋萌生于鉚釘外徑與下層板接觸區域即A1區域，在疲勞載荷作用下，疲勞裂紋首先向板厚方向擴展，隨后再向兩側板寬方向延伸，隨著宏觀裂紋的增大，裂紋擴展加快，板件承載面積減小直至剩余結構不能承受載荷而發生完全斷裂。

圖15a為上層板失效斷面的宏觀圖，圖15b～圖15e為黃色方框標記區域A1、A2、A3、A4的放大圖。A1區域為疲勞初期產生的海灘狀形貌，存在大量的橫向疲勞輝紋，說明A1區域接近疲勞源區且裂紋向鉚釘頭擴展，如圖15a中箭頭所示?？拷T釘頭的A2區域存在解理形貌，有明顯的二次裂紋，為裂紋擴展區。在剪切載荷作用下，A3區域存在向下的撕裂形貌，A4區域存在大量的韌窩和撕裂脊，為瞬斷區。由此可知疲勞裂紋萌生于靠近鉚釘中心的接觸面即A1區域，并沿板厚方向朝上擴展直至穿透上層板；在疲勞載荷的作用下，宏觀裂紋同時往兩側板寬和板厚方向延伸，并不斷撕扯上層板直至接頭失效。

圖16a為下板產生三道交叉裂紋失效斷口宏觀圖，截取的是所呈夾角較大的兩條長裂紋段。圖16b～圖16d為區域A1、A2、A3的放大圖。紐扣底部A1區域較為平坦，存在沿左下方擴展的疲勞輝紋和較少的二次裂紋，這說明A1區域為裂紋的疲勞源區。A2區域存在解理形貌和二次裂紋，說明此處為疲勞裂紋擴展區。二次裂紋走向均為橫向，說明裂紋沿板寬方向延伸擴展。遠離鉚釘中心的A3區域呈現塑性斷裂的大韌窩及撕裂棱形貌，為最終斷裂區域?？赏茰y裂紋萌生于鉚釘腿尖即A1區域，并朝紐扣底部擴展，形成3個裂紋源。紐扣底部較薄，紐扣沿中心出現裂紋，在載荷作用下，下板裂紋沿3個裂紋源分別向板寬和板長方向延伸，直至剩余結構承受不住載荷而發生瞬時撕裂。

4"多載荷工況接頭微動分析

4.1"載荷水平對接頭微動損傷的影響

采用SEM觀測接頭微觀斷口形貌，探究不同加載角度的疲勞載荷水平下降導致接頭疲勞失效位置下移的根本原因。0°、45°加載的失效模式變化相同，因此以0°加載為代表進行分析。挑選70%、60%、25%疲勞載荷的接頭為研究對象。如圖17a～圖17c所示，下層板兩側斷口附近均出現不同程度的微動損傷，微動損傷表面呈白色粗糙狀態。為進一步分析微動磨損的變化，將圖中黃色方框所示部位放大進行觀測，如圖17d～圖17f所示，70%載荷的接頭下板斷口（圖11中的C區域）的磨損表面的片狀磨屑分布較為整齊，并存在少量微裂紋， 60%載荷與25%載荷的接頭表面出現明顯的脫層及顆粒狀磨屑堆積形貌。由此推斷較低疲勞載荷水平下，下板與釘腿尾部接觸區域更容易出現微動磨損。隨著接頭疲勞載荷水平的不斷降低，接頭下層板與鉚釘腿接觸C區域微動損傷程度逐漸加重。

90°加載時，隨著疲勞載荷的降低，接頭失效部位由上層板轉移到鉚釘最后到下層板，因此對比接頭上板與下板失效斷口的微動損傷可探究疲勞載荷下降引起剪切工況的接頭失效部位變化的原因。B區域（位置見圖11）微動損傷是導致接頭上層板疲勞失效的直接原因，因此選取90°加載時100%、70%、65%載荷的接頭進行分析。3種載荷的接頭在B區域均發生嚴重的微動損傷，接頭在B區域表面存在明顯的黑色磨屑及磨損形貌，100%、70%、65%載荷磨損的平均寬度依次為1.9 mm、0.8 mm、0.6 mm，如圖18a～圖18c所示。將圖中黃色方框所示部位放大進行觀測發現，100%載荷接頭放大部位脫層程度及微裂紋寬度最高，其他2個接頭僅有微裂紋，且脫層現象并不明顯，如圖18d～圖18f所示。因此可以推測90°加載時，接頭在兩板接觸B區域微動損傷程度隨疲勞載荷下降逐漸減小。

選擇95%、70%、65%載荷的接頭下層板的斷口進行微觀掃描分析。圖19a～圖19c為斷口宏觀圖，黃色方框放大后的微觀形貌如圖19d～圖19f所示。65%載荷接頭的C區域（位置見圖11）微動損傷最嚴重，下層板中部存在一條朝板長方向延伸的擴展性宏觀疲勞裂紋。70%載荷接頭的中部表面顆粒狀磨屑密集分布，與鉚釘腿尖接觸位置有大量磨損產生的脫層材料，其黑色磨屑帶面積大小和微觀磨損程度均高于95%載荷接頭，可知90°加載時，隨著疲勞載荷的降低，接頭C區域表面微動損傷加劇。

4.2"加載角度對接頭微動損傷的影響

不同加載角度的鉚釘微動區域如圖20所示。疲勞加載過程中，接頭存在局部聯鎖和滑動，除了上下板接觸區域有微動外，鉚釘與上下板之間的接觸面也產生微動，出現嚴重的表面粗糙化。如圖20g所示，鉚釘在90°加載時的微動磨損區域最大，且磨損區域為鉚釘頭以下和釘腿尾部（釘尾）以上的頸部區域，磨損泛白面積大于0°、45°加載；0°加載時，鉚釘尾部位出現較大磨損，如圖20a所示，可得不同加載角度下的鉚釘與上下板的磨損接觸面積不同。

為進一步研究加載角度對微動損傷的影響，放大鉚釘宏觀圖中的黃色方框區域進行分析。90°加載接頭的A3區域出現大面積的微動磨損和黑色磨屑，且釘頭右上角位置有超過1 mm長的微動疲勞裂紋，如圖20h所示。45°加載時，A2區域表面泛白面積明顯減小。0°加載時，鉚釘表面平整光滑，僅存在少量磨屑。這說明剪切方向的載荷對A1區域的微動損傷起促進作用，導致90°加載接頭的微動損傷程度大于45°加載接頭，而0°加載接頭最低。這是因為90°加載時，接頭鉚釘在載荷作用下發生輕微偏轉，造成鉚釘頭與上層板接觸面之間出現間隙，加劇該區域的微動損傷。0°加載時，鉚釘與上層板貼合緊密，不存在接觸面間的切向擠壓運動，所以A1區域的微動程度最低。45°加載的接頭受剪切分力的影響，其A2區域微動程度略微高于0°加載。0°、90°加載的接頭區域C1、C3均存在嚴重的微動損傷，如圖20c、圖20i所示。0°加載接頭的鉚釘腿部左右兩側斷裂，且鉚釘腿位置存在一條約2 mm長的疲勞裂紋，如圖20a所示。90°加載時，接頭鉚釘C3區域分布大面積的白色磨痕和微動碎片，呈現材料脫層形貌，且鉚釘兩側磨損面積和程度不同。45°加載時，C2區域微動形貌與接頭A2區域類似，呈現表層開裂及磨屑混合特征，如圖20f所示，但接頭微動程度遠低于0°、90°加載的接頭。綜上，接頭在0°加載的鉚釘C1區域微動損傷最大，90°加載次之，45°加載最小。分析認為，0°加載的接頭鉚釘腿部C1區域承受了較大的軸向載荷，導致該區域容易出現裂紋擴張。90°加載的接頭鉚釘腿部承受剪切載荷最大，故發生明顯的脫層現象。45°加載的工況為混合工況，可將載荷拆分成軸向和切向分力，如圖6所示，45°加載接頭的疲勞壽命曲線更靠近0°加載曲線，說明接頭在45°加載下主要受到軸向力的影響，因此45°加載微動損傷的程度較低，磨損面積小于90°加載的鉚釘表面。

5"結論

1）在靜力學測試中，鉚接接頭在90°加載下的承載能力最大，失效峰值載荷為12.33 kN。隨著加載角度的減小，接頭的峰值載荷逐漸減小。0°、45°、90°加載的接頭失效模式均為鉚釘從下層板中脫出。

2）隨著加載角度的增大，接頭的疲勞強度不斷提高，90°加載的接頭極限疲勞載荷為6.49 kN。接頭在高載荷水平下的疲勞失效模式以上層板或鉚釘斷裂為主。低載荷水平下，接頭的失效模式為下層板底扣脫落。

3）微動磨損是導致失效模式差異的關鍵因素。疲勞載荷的降低使得接頭微動磨損區域由兩板之間變為下板與鉚釘腿表面接觸區域，裂紋萌生位置和疲勞裂紋擴展路徑改變，可得疲勞載荷水平降低使得接頭失效模式由上板失效變為下板失效。

4）加載角度影響接頭微動磨損程度。加載角度為0°時，微動磨損區域主要在鉚釘釘腿處；加載角度為45°時，接頭主要受0°分力的影響，微動磨損較輕；加載角度為90°時，鉚釘釘頭至釘腿的整個區域均為微動磨損區，磨損面積增大，接頭極限疲勞載荷最高。

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（編輯"張"洋）

作者簡介：

雷付煜，女，2000年生，碩士研究生。研究方向為汽車車身異種材料連接。發表論文1篇。E-mail：1248272938@qq.com。

徐從昌*（通信作者），男，1989年生，副研究員。研究方向為汽車輕量化或汽車車身異種材料連接。發表論文13篇。E-mail：xuccae86@126.com。

本文引用格式：

雷付煜，徐小旭，趙亞明，等.加載角度對6082鋁合金自沖鉚接接頭疲勞性能及失效模式的影響［J］. 中國機械工程，2025，36（1）：141-151.

LEI Fuyu， XU Xiaoxu， ZHAO Yaming， et al. Influence of Loading Angle on Fatigue Characteristics and Failure Modes of Self-piercing Riveted Joints in Aluminum Alloy 6082［J］. China Mechanical Engineering， 2025， 36（1）：141-151.

收稿日期：2023-09-22

基金項目：國家自然科學基金（52272362）；重慶市技術創新與應用發展專項重點項目（CSTB2022TIAD-KPX0035）；湖南創新型省份建設專項（2021GK4044）