拉伸速率對鋼板膠接接頭力學性能的影響

鹿偉青，朱傳敏，牛耀民，葉 又，康柳根

(1.同濟大學機械與能源工程學院，上海 201804； 2.泛亞汽車技術中心有限公司，上海 201201)

拉伸速率對鋼板膠接接頭力學性能的影響

鹿偉青1，朱傳敏1，牛耀民1，葉 又2，康柳根2

(1.同濟大學機械與能源工程學院，上海 201804； 2.泛亞汽車技術中心有限公司，上海 201201)

本文對兩種鋼板單搭膠接接頭在不同的拉伸速率下(準靜態(tài)、10m/s、20m/s)實驗研究了不同拉伸速率對兩種鋼板接頭力學性能的影響。結果表明鋼板膠接接頭在高速拉伸(10m/s、20m/s)時的強度相對于準靜態(tài)(13mm/min)有明顯提高，并且隨著拉伸速率的增加而增大。這是由于在高速拉伸時接頭及膠層高速形變，應變率大大增大，膠層粘性因素所產生的應力大大增加，使得接頭強度提升。失效模式也隨著發(fā)生改變，呈現(xiàn)出脆性斷裂模式。被粘物材料性能的不同也會對接頭強度產生影響，且這種影響隨著拉伸速率的增加逐漸減小。

汽車鋼板； 膠接接頭； 拉伸速率； 力學性能

1 引 言

目前，膠接技術越來越多地用于車身鋼板的連接[1-2]。實驗研究發(fā)現(xiàn)拉伸速率對膠接接頭強度有很大影響，而汽車在實際的應用過程中會遇到振動、撞擊等[3-5]情況，使得車身各部位變形速率并不一樣[6]。因此，深入研究在不同變形速率下膠接接頭的力學性能對于膠接在車身中的設計及應用具有重大意義。

很多學者都對膠接接頭在準靜態(tài)拉伸下的力學性能進行了研究[7-9]。李剛[10]等利用三維彈塑性有限元模型分析了鋼板與鋁板膠接結構在承受拉剪載荷時接頭內的應力分布，發(fā)現(xiàn)當板料厚度相同時，鋁合金板側的膠層應力大于鋼板側的膠層應力。盧志國[11]等針對汽車鋼板膠接結構，通過實驗得到不同膠層尺寸對接頭承載能力的影響規(guī)律并建立了接頭三維彈塑性有限元模型。研究發(fā)現(xiàn)隨著膠層厚度的增加，鋼板膠接結構的承載能力呈先升后降的趨勢。劉偉先[12]等建立了復合材料單邊斜接接頭和雙邊斜接接頭在拉伸載荷下的參數(shù)化有限元模型，通過漸進損傷分析，模擬出斜接接頭的三種破壞模式，最終得到了各參數(shù)變化對斜接接頭拉伸強度的影響，并對單邊斜接接頭和雙邊斜接接頭結果進行了對比分析，得出雙邊斜接接頭強度大于單邊斜接接頭強度的結論。大量研究表明，加載速率的不同會對材料自身性能產生顯著影響。汪勁豐[13]等對CA砂漿在不同加載速率下進行了單軸抗壓實驗，研究了CA砂漿在高頻荷載沖擊等復雜外界條件下的抗壓性能，并分析了試件的破壞模式、應力應變關系、抗壓強度和彈性模量等的變化規(guī)律，研究表明，CA砂漿的抗壓強度和彈性模量隨加載速率增大而增大。提出的應力應變模型能夠比較合理地描述CA砂漿在不同加載速率下的應力應變關系。羅少君[14]等根據(jù)復合材料三維粘彈性本構關系建立了纖維增強復合材料層板高速沖擊損傷的有限元分析模型。研究發(fā)現(xiàn)，邊界應力增大而沖擊速度不變時，剩余速度基本不變，損傷面積先增大后減小；沖擊速度增大而邊界應力不變時，剩余速度線性增大，損傷面積先增大后減小。此外，還有部分學者對膠接接頭在高速拉伸下的性能進行了分析研究[15-18]。陳煊[19]等研究了板厚、溫度和速度對單搭接膠接接頭強度的影響，結果發(fā)現(xiàn)，板越厚、溫度越低、速度越大，剝離應力對接頭的強度影響越小。Xin Yang[20]等利用一種簡化的有限元模型對膠接接頭的沖擊行為進行了模擬。李智[21]等采用數(shù)值模擬的方法，對在動載荷和溫度載荷作用下的單搭接及QFP電子封裝受載膠接接頭的應力響應及影響因素進行了研究。然而，從以上研究可以看出，目前的研究對于拉伸速率對鋼板膠接接頭力學性能的影響規(guī)律及原因分析并不充分。

本文以車身常用鍍鋅軟鋼CR3與高強鋼DP1000為被粘物，用DOW BETAMATE1486 結構膠制作的單搭接頭作為研究對象，對膠接接頭在準靜態(tài)拉伸(13mm/min)以及高速拉伸(10m/s、20m/s)下的力學性能進行了研究。

2 實 驗

2.1 實驗材料與試樣制作

研究采用陶氏公司生產的BETAMATE1486結構膠制作接頭，其基本性能參數(shù)見表1。鋼板使用某車身中常用的鍍鋅軟鋼CR3與鍍鋅高強鋼DP1000作為被粘物。兩者力學性能參數(shù)見表2。

表1 陶氏結構膠BETAMATE1486性能參數(shù)

表2 鍍鋅軟鋼CR3與高強鋼DP1000性能參數(shù)

膠接單搭接頭制作過程如下：

(1)將鋼板按軋制方向以100mm*25mm尺寸剪成塊狀；(2)處理周邊毛刺；(3)用丙酮清洗鋼板表面的油污及灰塵；(4)按照圖1所示的結構尺寸，制備好接頭試樣，保持至少2小時。接頭中使用玻璃球控制膠層厚度為0.2mm；(5)按照膠粘劑供應商的工藝條件180±2℃下30分鐘對接頭進行固化；(6)固化后的試樣室溫下保持至少24小時；(7)將多余的膠瘤去除，檢查試樣有無異常并剔除異常試樣。

接頭結構示意圖如圖1所示。

2.2 準靜態(tài)拉伸試驗

依據(jù)ASTM D1002-2001[22]標準，對每個試件加載至失效來測定接頭準靜態(tài)強度。所用設備為Zwick Z050拉伸試驗機，拉伸速率為13mm/min。拉伸過程中試樣兩側均粘有墊片以保持負載平面與拉伸機的中央平面重合。每組實驗取5個試樣求平均值。

2.3 高速拉伸試驗

將制備好的試樣在高速拉伸試驗機(美國英斯特朗公司，Instron VHS8800)上以10m/s、20m/s拉伸速率測試拉伸強度。拉伸過程中試樣兩側均粘有墊片以保持負載平面與拉伸機的中央平面重合。高速拉伸設備如圖2所示。

圖2 高速拉伸設備Fig.2 High-speed tensile machine

2.4 斷面分析

為了理解鋼板膠接接頭在不同加載速率下的力學性能，接頭的斷面使用掃描電子顯微鏡進行分析，斷面試樣從拉斷試樣的搭接區(qū)域表面切取，觀察接頭斷面在失效模式上的差異，并將失效模式與強度結合起來，進一步分析接頭的失效過程。

3 結果與討論

3.1 拉伸速率對強度的影響

鋼板單搭接頭準靜態(tài)拉伸與高速拉伸結果如圖3所示。從圖中數(shù)據(jù)可以看出，鍍鋅CR3鋼板膠接接頭在13mm/min拉伸速率下平均強度為6.59kN，在高速拉伸10m/s速率下強度提高了95%，為12.84kN，而在高速拉伸20m/s速率下強度為19.15kN，提高了190%。鍍鋅DP1000鋼板膠接接頭的準靜態(tài)拉伸強度為8.55kN，在高速拉伸10m/s與20 m/s速率下強度分別為14.55kN與19.01kN，分別提高了70%、122%。從圖中折線的趨勢可以看出，兩種膠接接頭在高速拉伸下的接頭強度明顯提高，并且隨著拉伸速率的增加接頭強度增大。

圖3 加載速率對鋼板單搭接頭強度的影響Fig.3 Effect of tensile speed on strength of adhesive-bonded steel

為了進一步了解接頭強度隨拉伸速率變化的原因，下面對接頭斷面進行分析。

3.2 拉伸速率對斷面的影響

圖4 加載速率對鋼板膠接單搭接頭斷面的影響(a) 鍍鋅CR3鋼板接頭； (b) 鍍鋅DP1000鋼板接頭a1,b1: 13mm/min; a2,b2: 10m/s; a3,b3: 20m/s;Fig.4 Effect of tensile speed on fracture surface of adhesive-bonded steel: (a) adhesive-bonded galvanized CR3; (b) adhesive-bonded galvanized DP1000

3.2.1 接頭斷面觀察 如圖4(a1)所示，鍍鋅CR3鋼板膠接接頭在13mm/min拉伸速率下的斷面主要為內聚失效，且斷面比較粗糙，有膠層撕裂的痕跡(圖4(a1)中箭頭所示膠層斷裂處有明顯的膠粘劑的變形凸起和互相粘連)。而其在高速拉伸10 m/s速率下(圖4(a2))的斷面雖然也主要為內聚失效, 但膠層呈現(xiàn)脆性斷裂的痕跡(圖4(a2)箭頭處所示膠層斷裂處呈現(xiàn)清楚的鱗片狀特征)。另外，CR3鋼板膠接接頭在高速拉伸20 m/s的拉伸速率下的斷面(圖(a3))與10 m/s時的類似。這說明接頭在10 m/s與 20 m/s高速拉伸下的斷裂模式相類似，但與準靜態(tài)拉伸存在很大區(qū)別。

對于鍍鋅DP1000鋼板膠接接頭，高的拉伸速率也使得接頭斷面呈現(xiàn)脆性斷裂的特征(圖4(b2)、4(b3)中箭頭處所示)。這與鍍鋅CR3鋼板接頭類似。結合膠接接頭強度可知，膠層的斷裂模式的不同是導致膠接接頭在高速拉伸下強度遠高于準靜態(tài)拉伸接頭強度的可能原因。為了進一步明確這個原因，下面對接頭斷面利用掃描電鏡進行微觀觀察及分析。

3.2.2 接頭斷面SEM分析 使用掃描電子顯微鏡對接頭斷面的內聚失效部位進行分析，鍍鋅CR3鋼板膠接接頭和鍍鋅DP1000鋼板膠接接頭膠層斷面的

微觀形貌分別如圖5、圖6所示。從圖5可以看出，CR3鋼板膠接接頭在準靜態(tài)拉伸下的膠層出現(xiàn)較多的塑性變形(圖5(a)方框所示膠層撕裂處呈現(xiàn)明顯的膠層變形及粘連)，而在高速拉伸下膠層則出現(xiàn)較明顯的“脆性”斷裂(圖5(b)、5(c)方框所示斷裂處膠層呈現(xiàn)獨立清晰的鱗片狀特征)。

DP1000鋼板膠接接頭與CR3接頭膠層斷裂形式類似，如圖6所示。

通過掃描電子顯微鏡觀察，進一步分析可知，由于膠層具有高分子結構，因而具有較為明顯的粘性。當發(fā)生變形時，粘性因素服從于牛頓規(guī)律，即所產生的應力為：

圖5 CR3鋼板膠接接頭在不同加載速率下斷面的微觀形貌 (a) 13mm/min； (b) 10m/s； (c) 20m/sFig.5 Microstructure of fracture surface of adhesive-bonded CR3 with different tensile speed (a) 13mm/min; (b) 10m/s; (c) 20m/s

圖6 DP1000鋼板膠接接頭在不同加載速率下斷面的微觀形貌 (a) 13mm/min； (b) 10m/s； (c) 20m/sFig.6 Microstructure of fracture surface of adhesive-bonded DP1000 with different tensile speed (a) 13mm/min; (b) 10m/s; (c) 20m/s

(1)

另一方面，膠粘劑作為高分子材料，由大量不同構象的長鏈大分子組成。在外力作用下，蜷曲的長鏈大分子被拉伸，拉伸速率的增大使得長鏈大分子的反應時間縮短[23]，表現(xiàn)出應變敏感性，而這對于整個結構的強度、剛度及破壞形式都會產生影響[16]。

3.3 被粘物材料性能對接頭強度影響

從圖3鍍鋅CR3鋼板與DP1000鋼板膠接接頭強度隨拉伸速率的變化可以看出，在準靜態(tài)及拉伸速度較低時，DP1000鋼板膠接接頭的強度明顯高于CR3鋼板膠接接頭，而隨著拉伸速率增加到20m/s時，這種強度的差異隨之消失。這是由于在低速拉伸時，被粘物材料性能的差異會導致膠接接頭的強度不同[19]。屈服強度、拉伸強度及剛度均較低的CR3軟鋼在準靜態(tài)拉伸過程中鋼板非搭接區(qū)域會發(fā)生較大變形，在搭接區(qū)域邊緣膠層和鋼板之間的變形不協(xié)調，這種變形的不協(xié)調會導致裂紋首先出現(xiàn)在搭接區(qū)域邊緣并最終導致接頭失效，進而接頭在較低強度時就發(fā)生斷裂；而DP1000由于屈服強度較高剛度較大，鋼板非搭接區(qū)域在拉伸過程中不會發(fā)生大的變形，避免了膠層和鋼板之間的不協(xié)調變形產生裂紋及擴展最終導致斷裂，因而在準靜態(tài)拉伸時強度較高。而在拉伸速率達到足夠大時，兩種接頭之間的強度差值減小，這可能是由于隨著應變率的增大，兩種鋼屈服強度之間的差值逐漸減小，而拉伸速率的加快，使得膠層和被粘物還未來得及發(fā)生充分變形就斷裂，由于被粘物剛度不同引起的接頭強度的差異不再體現(xiàn)出來，進而導致接頭強度差異減小[24]。

4 結 論

通過對鍍鋅軟鋼CR3與高強鋼DP1000單搭接膠接接頭在準靜態(tài)拉伸(13mm/min)以及高速拉伸(10m/s、20m/s)下的力學性能進行研究，結果發(fā)現(xiàn)：

1. 兩種鋼板膠接接頭在高速拉伸下的接頭強度明顯高于準靜態(tài)拉伸的強度，并且隨著拉伸速率的增加接頭強度增大；

2. 兩種鋼板膠接接頭在高速拉伸狀態(tài)下的膠層呈現(xiàn)脆性斷裂的模式，這與準靜態(tài)拉伸有很大區(qū)別；高速拉伸時，由于接頭及膠層高速形變，應變率大大增大，膠層粘性因素所產生的應力大大增加，從而導致高速拉伸接頭強度提高，而膠粘劑的應變敏感性也是產生這一現(xiàn)象的重要因素；

3. 準靜態(tài)拉伸時被粘物材料性能的不同會導致接頭強度的不同，而在高速拉伸時由于高應變率使得材料性能的差異減小導致接頭強度差異縮小。

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Effect of Tensile Speed on Mechanical Properties of Adhesive-bonded Steel

LU Weiqing1， ZHU Chuanming1， NIU Yaomin1， YE You2， KANG Liugen2

(1.School of Mechanical Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China; 2.Pan-Asia Technical Automotive Center Co., Shanghai 201201, China)

Adhesive-bonded steel is widely used as automotive steel. At different tensile speed (13mm/min、10m/s、20m/s), two tensile tests of different adhesive-bonded steel were performed. The influence of mechanical properties caused by tensile speed was developed. For two different adhesive-bonded steel joints, the tensile strength at high tensile speed (10m/s、20m/s) is much higher than that at quasi-static speed (13mm/min), and the tensile strength goes up with the increase of the tensile speed. Because at high tensile speed, the deform speed of adhesive-bonded joints and the adhesive is also very high. In this case, the stress produced by the viscous factors increase greatly, and the strength of the adhesive-bonded joints is developed. The failure mode is also changed to brittle failure mode. The strength of the adhesive-bonded joints is also influenced by the properties of adherend, and the influence decreases with the increase of the tensile speed.

automotive steel； adhesive-bonded joint; tensile speed; mechanical properties

1673-2812(2017)01-0052-05

2015-11-23；

2016-01-08

鹿偉青(1989-)，女，碩士研究生。主要從事膠接結構力學行為及抗腐蝕性能研究。E-mail：zhuqingpp@126.com。

朱傳敏(1969-)，男，副教授。E-mail：01065@#edu.cn。

TG495

A

10.14136/j.cnki.issn 1673-2812.2017.01.011