溫度對(duì)鋼/鋁粘接接頭失效強(qiáng)度影響的研究?

那景新，浦磊鑫，秦國(guó)鋒，陳立軍

(1.吉林大學(xué)，汽車仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130022； 2.廣西師范大學(xué)職業(yè)技術(shù)師范學(xué)院，桂林 541004；3.吉林大學(xué)，大數(shù)據(jù)與網(wǎng)絡(luò)管理中心，長(zhǎng)春 130022)

前言

輕量化材料的使用是緩解能源危機(jī)和環(huán)境污染、實(shí)現(xiàn)車身結(jié)構(gòu)輕量化的重要途徑之一[1-2]。為了減輕客車車身質(zhì)量，目前有客車使用鋁合金面板三明治夾芯蒙皮結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)輕量化目標(biāo)，而該結(jié)構(gòu)的應(yīng)用必然會(huì)引發(fā)鋁合金與客車鋼骨架之間的連接問(wèn)題。粘接技術(shù)作為一種新型的連接技術(shù)，在實(shí)現(xiàn)新材料的連接[3]，尤其是異種材料的連接上存在較大的優(yōu)勢(shì)[4]，此外，粘接結(jié)構(gòu)還具有應(yīng)力分布均勻、粘接強(qiáng)度高和質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)[5]。

車輛在運(yùn)行過(guò)程中，大部分的粘接組件會(huì)受到溫度、濕度和鹽霧等多種環(huán)境因素的影響。其中，濕度、鹽霧等環(huán)境因素的影響可通過(guò)密封和涂裝工藝的改進(jìn)進(jìn)行避免或減輕。而粘接劑作為一種高分子化合物，其力學(xué)性能受環(huán)境溫度的影響較大[6-7]，特別是當(dāng)溫度接近材料的玻璃轉(zhuǎn)化溫度時(shí)，影響更為明顯[8-9]。因此，本文中重點(diǎn)研究溫度變化對(duì)粘接結(jié)構(gòu)性能的影響。

目前，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者就溫度變化對(duì)粘接接頭強(qiáng)度的影響展開了相關(guān)的研究。大連理工大學(xué)胡平、韓嘯等采用脆性和韌性兩種結(jié)構(gòu)膠粘劑，利用仿真與試驗(yàn)的對(duì)比分析，研究了非平衡接頭在極端溫度環(huán)境下剪切強(qiáng)度的變化[10]。ZHANG F等人總結(jié)了加速老化試驗(yàn)作用后的鋼鋁單搭接接頭剩余強(qiáng)度變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)接頭老化行為受到粘接劑與基材結(jié)合界面強(qiáng)度和環(huán)境溫度加載路徑的影響[11]。BANEA M D等人研究了不同溫度(室溫，100，125和150℃)對(duì)XN1244粘接劑性能的影響，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在一定的加載速率下，接頭強(qiáng)度幾乎隨溫度呈線性下降[12]。BANEA M D和SILVA L F M D研究了環(huán)境溫度對(duì)AV138和SIKA-552兩種粘接劑力學(xué)性能的影響，研究結(jié)果顯示，隨著溫度的升高，SIKA-552的剪切強(qiáng)度急劇下降且失效模式也發(fā)生了改變[13]。

現(xiàn)有的試驗(yàn)研究和仿真分析大都是針對(duì)同種材料粘接的研究，而對(duì)于鋼/鋁異種材料粘接的研究相對(duì)較少。此外，研究對(duì)象往往只考慮了純拉和純剪這兩種簡(jiǎn)單應(yīng)力狀態(tài)下的接頭，而車輛結(jié)構(gòu)在實(shí)際使用的過(guò)程中，往往是處在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下，會(huì)同時(shí)受到拉應(yīng)力和剪應(yīng)力的作用。

因此，本文中選取了3種處于不同應(yīng)力狀態(tài)下的厚基底剪切接頭、對(duì)接接頭和45°嵌接接頭，根據(jù)車輛服役溫度特點(diǎn)，從安全的角度出發(fā)，選取-40，-10，25，50和80℃ 5個(gè)溫度點(diǎn)，進(jìn)行測(cè)試，研究溫度變化對(duì)不同應(yīng)力狀態(tài)下粘接結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響。首先，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，分析了粘接接頭剛度、失效位移隨環(huán)境溫度的變化規(guī)律。接著分析溫度對(duì)接頭失效強(qiáng)度的影響規(guī)律。然后，分析溫度對(duì)粘接接頭失效形式的影響。最后，對(duì)接頭正、剪應(yīng)力值進(jìn)行擬合，建立不同溫度下的應(yīng)力失效準(zhǔn)則，為復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下車輛上粘接結(jié)構(gòu)的失效預(yù)測(cè)提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)過(guò)程

1.1 材料選擇與試件設(shè)計(jì)

本文中所選取的粘接劑為Plexus MA832，該粘接劑是一種專門為金屬結(jié)構(gòu)粘接設(shè)計(jì)的雙組份甲基丙烯酸脂類膠粘劑，其工作溫度為-40～82℃。粘接試件的基體材料為車體結(jié)構(gòu)中經(jīng)常使用的6005A型鋁合金和304不銹鋼。主要材料參數(shù)如表1所示。

表1 主要材料參數(shù)

為使粘接接頭受溫度影響的規(guī)律得到更合理的分析，采用 DSC Q2000 V24.11 Build 124設(shè)備對(duì)Plexus MA832粘接劑的玻璃轉(zhuǎn)化溫度Tg進(jìn)行了測(cè)試。該測(cè)試在氮?dú)庵羞M(jìn)行，溫度變化為5℃/min。由于粘接劑的玻璃化轉(zhuǎn)變是一個(gè)過(guò)程，故取起止溫度的平均值作為玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的參考，測(cè)試結(jié)果如圖1所示，可知Plexus MA832的玻璃轉(zhuǎn)換溫度Tg約為82.6℃。

圖1 Plexus MA832玻璃轉(zhuǎn)換溫度

為了研究不同應(yīng)力狀態(tài)下，鋼/鋁粘接接頭的力學(xué)性能，本文中選取鋁合金厚基底剪切試件、45°嵌接試件和對(duì)接試件，分別代表純剪應(yīng)力狀態(tài)、拉、剪組合應(yīng)力狀態(tài)和純拉應(yīng)力狀態(tài)。其中，厚基底剪切接頭和對(duì)接接頭雖然在實(shí)際的膠層內(nèi)部同時(shí)存在拉應(yīng)力和剪應(yīng)力，但在工程應(yīng)用中可假設(shè)為純剪應(yīng)力和純拉應(yīng)力[14]?？紤]到不銹鋼加工成大尺寸試件較為困難，本文中將不銹鋼設(shè)計(jì)成1mm厚的片狀基材，并將其粘接在鋁合金試件上，形成完整的鋼/鋁粘接接頭，對(duì)接和45°嵌接鋼/鋁粘接接頭如圖2所示，其中粘接膠層厚度為0.2mm。此外，為提高接頭的利用率和粘接夾具的統(tǒng)一性，對(duì)接接頭不僅可用于純拉應(yīng)力的測(cè)試，如圖3(a)所示，還可通過(guò)輔助裝置進(jìn)行純剪應(yīng)力的測(cè)試，如圖3(b)所示。

圖2 接頭幾何尺寸(單位：mm)

圖3 測(cè)試原理圖

1.2 試件粘接

粘接試件的制備需要在無(wú)塵、穩(wěn)定的環(huán)境(溫度為25±3℃，濕度為50%±5%)下進(jìn)行。涂膠之前，首先使用80目砂紙打磨鋁合金和不銹鋼試件的粘接表面，然后使用丙酮擦拭粘接表面，去除粘接表面的油脂和灰塵。待試件干燥后通過(guò)所設(shè)計(jì)的專用夾具完成粘接，并對(duì)粘接接頭進(jìn)行為期4周的固化。粘接夾具如圖4所示。

圖4 粘接夾具

1.3 試驗(yàn)方案

為研究溫度變化對(duì)Plexus MA832粘接劑性能的影響，本文中根據(jù)車輛服役溫度特點(diǎn)，從安全的角度出發(fā)，選取-40和80℃作為溫度研究極限，而室溫(25℃)作為Plexus MA832粘接劑的操作溫度具有研究的必要性。此外，為了更準(zhǔn)確地研究溫度變化對(duì)Plexus MA832粘接劑性能的影響，本文中在25～-40℃之間選取一個(gè)溫度點(diǎn)(-10℃)，同樣在25～80℃之間選取另一個(gè)溫度點(diǎn)(50℃)，共5個(gè)溫度點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，每組試驗(yàn)重復(fù)5次。將粘接接頭按照不同的溫度要求放置在高低溫濕熱環(huán)境箱2h后取出，濕熱環(huán)境箱如圖5所示。之后將其安裝在WDW3100微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上，粘接接頭的兩端通過(guò)萬(wàn)向節(jié)與拉伸試驗(yàn)機(jī)相連，以保證測(cè)試過(guò)程中施加的力通過(guò)試件軸線，消除非軸向的作用力。拉伸試驗(yàn)機(jī)以5mm/min的恒定速度拉伸試件直至破壞。

圖5 濕熱環(huán)境箱

2 結(jié)果與討論

2.1 載荷位移曲線

鋼/鋁粘接接頭在不同溫度下的載荷位移曲線如圖6所示。將載荷-位移曲線轉(zhuǎn)換成應(yīng)力-應(yīng)變曲線，曲線的斜率則代表粘接接頭的剛度。

圖6 鋼/鋁粘接接頭在不同溫度下的載荷位移曲線

由圖6可見(jiàn)，隨著溫度的升高，不同應(yīng)力狀態(tài)下粘接接頭的剛度、失效載荷和失效位移均呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。低溫(-40℃)狀態(tài)下，粘接接頭的強(qiáng)度和剛度出現(xiàn)了明顯的上升。此外，低溫(-40℃)時(shí)，載荷位移曲線在達(dá)到最大載荷后，出現(xiàn)一個(gè)快速下降的過(guò)程，這表明發(fā)生了脆性失效。在高溫(80℃)時(shí)，曲線在達(dá)到最大載荷后，并沒(méi)有快速下降，而是有一段緩沖之后再快速下降，這是因?yàn)楦邷?80℃)接近粘接劑的玻璃轉(zhuǎn)換溫度，粘接劑由玻璃態(tài)向高彈態(tài)轉(zhuǎn)變所致。

2.2 溫度變化對(duì)失效強(qiáng)度的影響

2.2.1 失效強(qiáng)度

為研究溫度變化對(duì)粘接接頭失效強(qiáng)度的影響，將拉伸試驗(yàn)所得到的粘接接頭的失效強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理。其中失效強(qiáng)度由失效載荷除以粘接面積獲得，而平均失效強(qiáng)度則取5組有效測(cè)試試件的平均值，得到厚基底剪切接頭、45°嵌接接頭和對(duì)接接頭在不同溫度下，平均失效強(qiáng)度的變化趨勢(shì)，如圖7所示。

圖7 溫度變化對(duì)不同應(yīng)力狀態(tài)接頭粘接強(qiáng)度的影響

由圖7可知，隨著溫度的上升，不同應(yīng)力狀態(tài)下鋼/鋁粘接接頭的失效強(qiáng)度均呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。雖然3種類型接頭的平均失效強(qiáng)度隨溫度變化的整體趨勢(shì)相同，但在測(cè)試溫度范圍內(nèi)，厚基底剪切接頭強(qiáng)度的下降幅度明顯要高于對(duì)接接頭和45°嵌接接頭。溫度從常溫(25℃)升至高溫(80℃)時(shí)，厚基底剪切接頭的粘接失效強(qiáng)度下降了55.9%，45°嵌接接頭下降了53.1%，而對(duì)接接頭下降了41.3%。說(shuō)明粘接接頭強(qiáng)度的變化不僅受到溫度的影響，接頭中剪應(yīng)力和正應(yīng)力的不同占比也會(huì)對(duì)粘接接頭強(qiáng)度的變化存在著一定的影響。

此外，為獲得溫度變化對(duì)鋼/鋁粘接結(jié)構(gòu)失效形式的影響，試驗(yàn)完成之后，對(duì)厚基底剪切接頭、45°嵌接接頭和對(duì)接接頭失效后的斷面進(jìn)行了分析。研究發(fā)現(xiàn)，溫度變化并沒(méi)有改變Plexus MA832鋼/鋁粘接接頭的失效形式，不同應(yīng)力狀態(tài)下，粘接接頭的失效形式均表現(xiàn)為內(nèi)聚失效。以常溫(25℃)為例，不同應(yīng)力狀態(tài)接頭的失效形式如圖8所示。

圖8 失效形式(常溫25℃)

2.2.2 擬合曲線

為更好地研究溫度變化對(duì)粘接接頭失效強(qiáng)度的影響規(guī)律，對(duì)任意溫度下的失效強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測(cè)，本文中根據(jù)接頭平均失效強(qiáng)度的變化趨勢(shì)，分別選用三次多項(xiàng)式函數(shù)和指數(shù)函數(shù)對(duì)接頭的失效強(qiáng)度進(jìn)行擬合，并得到相應(yīng)的擬合曲線公式，同時(shí)計(jì)算出每條擬合曲線的擬合優(yōu)度值(R2)，以此對(duì)兩種擬合曲線精度進(jìn)行了比較，擬合曲線和方程如圖9所示。為了使擬合曲線更加真實(shí)地反映接頭粘接強(qiáng)度的變化趨勢(shì)，擬合數(shù)據(jù)采用所有的試驗(yàn)強(qiáng)度測(cè)試數(shù)據(jù)，而并非只采用接頭平均失效強(qiáng)度值。由圖9可知，對(duì)于不同應(yīng)力狀態(tài)的接頭，三次多項(xiàng)式函數(shù)的擬合優(yōu)度值(R2)均高于指數(shù)函數(shù)，因此，選用三次多項(xiàng)式函數(shù)作為鋼/鋁粘接接頭隨溫度變化的表達(dá)式。

圖9 對(duì)接接頭、45°嵌接接頭和厚基底剪切接頭隨溫度變化擬合曲線

2.3 失效準(zhǔn)則

2.3.1 失效準(zhǔn)則的建立

為建立與工程實(shí)際應(yīng)用更加符合的粘接結(jié)構(gòu)失效準(zhǔn)則，對(duì)不同應(yīng)力狀態(tài)下接頭的正應(yīng)力值和剪應(yīng)力值進(jìn)行了擬合，建立了不同溫度下的鋼/鋁接頭的初始失效準(zhǔn)則，其中接頭膠層正應(yīng)力和剪應(yīng)力分別為

式中：F為接頭失效載荷；A為粘接面積；α為接頭粘接角度。

應(yīng)力準(zhǔn)則為

式中：N和S分別為模式1和模式2的失效強(qiáng)度(分別對(duì)應(yīng)本文中對(duì)接接頭和厚基底剪切接頭的失效強(qiáng)度)；q為兩種模式之間相互關(guān)系的參數(shù)。

當(dāng)q=2時(shí)，式(3)變?yōu)樽顬槌Ｓ玫亩螒?yīng)力失效準(zhǔn)則：

厚基底剪切接頭、45°嵌接接頭和對(duì)接接頭對(duì)應(yīng)的粘接角度分別為 0°，45°和 90°，根據(jù)式(1)和式(2)即可計(jì)算出模式1(正應(yīng)力)和模式2(剪應(yīng)力)的失效強(qiáng)度。雖然只需厚基底剪切接頭的剪切強(qiáng)度和對(duì)接接頭的拉伸強(qiáng)度即可建立二次應(yīng)力準(zhǔn)則，但45°嵌接接頭的拉剪組合應(yīng)力能夠提高其擬合精度。以剪應(yīng)力為橫坐標(biāo)，正應(yīng)力為縱坐標(biāo)，根據(jù)厚基底剪切接頭、45°嵌接接頭和對(duì)接接頭的正、剪應(yīng)力的變化規(guī)律，采用最為常用的二次應(yīng)力準(zhǔn)則對(duì)不同溫度下的正、剪應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，不同溫度下的失效準(zhǔn)則曲線、擬合公式和擬合優(yōu)度(R2)如圖10所示。當(dāng)膠層的正、剪應(yīng)力值落在預(yù)測(cè)曲線的外側(cè)時(shí)，意味著發(fā)生失效，而在曲線內(nèi)側(cè)則表示安全。

由圖10可以發(fā)現(xiàn)，在不同溫度下，二次應(yīng)力準(zhǔn)則的擬合優(yōu)度均在0.975以上，擬合精度較高，適合作為Plexus MA832粘接劑在不同溫度下的失效準(zhǔn)則。

2.3.2 溫度變化對(duì)失效準(zhǔn)則的影響

圖10 不同溫度作用下，粘接接頭失效準(zhǔn)則擬合曲線、擬合公式和擬合優(yōu)度(R2)

為獲得任意溫度作用下的粘接接頭的失效準(zhǔn)則，本文中進(jìn)一步研究了二次應(yīng)力準(zhǔn)則隨溫度變化的特點(diǎn)。根據(jù)以上的分析發(fā)現(xiàn)，不同溫度下，二次應(yīng)力準(zhǔn)則的擬合精度均較高，因此假設(shè)任意溫度作用后的應(yīng)力準(zhǔn)則也符合二次應(yīng)力準(zhǔn)則，如式(4)所示。其中，二次應(yīng)力準(zhǔn)則方程的形狀由N(對(duì)接接頭的正應(yīng)力)和S(厚基底剪切接頭的剪應(yīng)力)決定。根據(jù)2.3.1節(jié)所建立的不同溫度下的二次應(yīng)力準(zhǔn)則，利用MATLAB軟件進(jìn)行擬合，獲得對(duì)接接頭和厚基底剪切接頭的擬合方程，分別如式(5)和式(6)所示。σ=17.693-0.0589T-7×10-5T2-6×10-6T3(5)τ=24.15-0.1023T-0.0004T2-9×10-6T3(6)將式(5)和式(6)帶入式(4)，獲得二次應(yīng)力準(zhǔn)則與任意溫度之間的關(guān)系方程：

為更直觀地反映二次應(yīng)力準(zhǔn)則在車輛任意服役溫度下的變化規(guī)律，利用MATLAB軟件繪制了相應(yīng)的三維曲面，如圖11所示。

圖11 任意溫度作用下的二次應(yīng)力準(zhǔn)則

3 結(jié)論

(1)Plexus MA832鋼/鋁粘接接頭的失效強(qiáng)度不僅受溫度的影響，同時(shí)還與接頭的應(yīng)力狀態(tài)密切相關(guān)，其中，厚基底剪切接頭的失效強(qiáng)度下降最為明顯，相比于室溫(25℃)，高溫(80℃)時(shí)下降約為55.9%，其次為45°嵌接接頭，下降幅度為53.1%，而對(duì)接接頭的下降幅度最低，為41.3%。此外，溫度的變化并未引起接頭失效形式的改變，所有接頭的失效形式均表現(xiàn)為內(nèi)聚破壞。

(2)在車輛服役溫度范圍內(nèi)，分別采用三次多項(xiàng)式函數(shù)和指數(shù)函數(shù)對(duì)粘接接頭隨溫度變化的下降規(guī)律進(jìn)行擬合，結(jié)果表明，不論對(duì)于哪種應(yīng)力狀態(tài)接頭，采用三次多項(xiàng)式擬合的精度都較高。

(3)通過(guò)計(jì)算接頭膠層的正、剪應(yīng)力值，進(jìn)行曲線擬合，發(fā)現(xiàn)Plexus MA832粘接劑在不同溫度下的失效準(zhǔn)則均符合橢圓方程(二次應(yīng)力準(zhǔn)則)，并在此基礎(chǔ)上建立了二次應(yīng)力準(zhǔn)則隨溫度變化的三維曲面，利用曲面更加直觀地反映接頭失效強(qiáng)度在車輛任意服役溫度下的變化趨勢(shì)，為后續(xù)粘接技術(shù)在車輛結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用提供了參考依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。

本文中主要研究的是不同應(yīng)力狀態(tài)下的鋼/鋁粘接接頭受溫度的影響規(guī)律，由于靜強(qiáng)度不能代表全部意義上的強(qiáng)度，故為更好地分析溫度對(duì)粘接接頭失效強(qiáng)度的影響，今后將在本文研究的基礎(chǔ)上，對(duì)接頭疲勞強(qiáng)度受溫度的影響規(guī)律做進(jìn)一步的研究。