碳纖維復(fù)合材料/鋼的膠鉚連接失效機(jī)理和選材方法

余海燕， 吳航宇

(同濟(jì)大學(xué) 汽車學(xué)院，上海 201804)

近年來(lái)，碳纖維復(fù)合材料(CFRP)以其輕質(zhì)、強(qiáng)度高和設(shè)計(jì)自由度靈活等優(yōu)點(diǎn)，在汽車領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1-3].在性能、成本和輕量化效果方面，低碳鋼、高強(qiáng)度鋼和CFRP等多種材料的混合使用是目前技術(shù)條件和市場(chǎng)環(huán)境下汽車輕量化的主要技術(shù)途徑，使得異質(zhì)材料之間的連接技術(shù)成為研究熱點(diǎn)[4-5].

CFRP層合板是由碳纖維絲和樹脂基體組成的聚合物，在對(duì)電、熱和力的響應(yīng)方面，其與鋼的差異很大.因此，相較于CFRP與CFRP、鋼與鋼的連接設(shè)計(jì)，CFRP層合板與鋼板的連接設(shè)計(jì)更復(fù)雜.CFRP具有各向異性和脆性，相較于金屬材料，CFRP層合板連接部位的應(yīng)力集中程度較強(qiáng)，有 60%～80%的結(jié)構(gòu)破壞發(fā)生在連接處[6].目前，CFRP層合板與鋼板的連接方法主要有膠接、膠接與機(jī)械連接的混合連接、鉚接和螺紋連接.

在膠接方面，Lopes等[7]對(duì)CFRP/鋼膠接接頭進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，重點(diǎn)比較真空黏接、噴丸處理、表面涂油和酸洗處理對(duì)連接強(qiáng)度的影響.Seong等[8]研究搭接長(zhǎng)度、膠層厚度、黏接壓力和接頭形式對(duì)CFRP/鋁膠接接頭強(qiáng)度的影響.Arenas等[9-11]發(fā)現(xiàn)膠接接頭搭接區(qū)域經(jīng)砂紙打磨處理后，其連接強(qiáng)度明顯提高.Ribeiro等[12]發(fā)現(xiàn)CFRP/鋁膠接接頭的強(qiáng)度和失效模式與黏接劑種類密切相關(guān).郭帥[13]研究CFRP/DC04膠接接頭在單向拉伸和三點(diǎn)彎曲工況下的失效行為.檀甜甜等[14]利用試驗(yàn)比較了分別采用壓鉚、錘鉚、抽鉚、拉鉚和高鎖螺栓進(jìn)行連接的復(fù)合材料的連接強(qiáng)度.Kopanitsa等[15]采用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)測(cè)量CFRP/鋼膠接接頭的表面變形，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在0.17%應(yīng)變時(shí)膠接接頭會(huì)失效.Li等[16]為提高CFRP/鋼接頭的韌性，在黏接劑中加入納米二氧化硅顆粒，使得接頭的拉剪強(qiáng)度提高了1.33倍，斷裂延伸率增加了2倍，失效模式由界面失效變?yōu)榉謱邮?Doroudi等[17]研究了含裂紋鋼板黏接CFRP層合板的CFRP/鋼膠接接頭的疲勞失效行為.

鉚接是汽車零部件的一種重要連接工藝.胡寶剛[18]發(fā)現(xiàn)在鐓頭部位加墊圈可以有效減少CFRP層合板鉚接區(qū)域局部應(yīng)力集中.Franco等[19]研究CFRP/鋁的自沖鉚和膠接的混合連接強(qiáng)度，指出接頭損傷主要發(fā)生在鉚釘孔區(qū)域.Marannano 等[20]指出，在CFRP層合板的鉚接和螺紋連接中，機(jī)械鉆孔會(huì)造成CFRP層合板的局部損傷和應(yīng)力集中.徐福泉等[21]發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料螺紋連接對(duì)間隙敏感，間隙在0.2～0.8 mm范圍內(nèi)應(yīng)使用液體墊片，間隙大于0.8 mm應(yīng)使用固體墊片，否則易造成樹脂碎裂和局部分層等損傷.上述研究表明，CFRP層合板對(duì)機(jī)械制孔比較敏感，鉚釘孔周是CFRP鉚接接頭的薄弱位置，增加該區(qū)域的強(qiáng)度是提高CFRP鉚接強(qiáng)度的關(guān)鍵.

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中相鄰零件材料的匹配程度是連接設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素，被連接零件材料的力學(xué)性能、厚度和導(dǎo)熱、導(dǎo)電性等均影響連接方式的選擇和連接強(qiáng)度.在Juvinall等[22-23]提出在螺栓連接設(shè)計(jì)中，需要考慮被連接零件的剛度.張杰等[24]分析了CFRP/AA5052自沖鉚接接頭的強(qiáng)度與能量吸收效果以及板厚度的關(guān)系.王樹鑫[25]發(fā)現(xiàn)在CFRP/鋁合金膠接接頭中，增大CFRP層合板/鋁合金的抗拉強(qiáng)度比和抗彎剛度比均能不同程度地提高膠接接頭的承載性能.胡光山等[26]選用AlSi10Mg、DC04、HC340和HC220Y鋼板研究不同材料組合的自沖鉚連接性能和失效模式，指出應(yīng)優(yōu)先將強(qiáng)度較低、塑性較好和厚度較大的材料作為接頭的底層.上述研究表明，連接設(shè)計(jì)不僅是單一零件性能和連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，還需要關(guān)注被連接零件在強(qiáng)度和剛度上的匹配程度.

綜上所述，目前CFRP的鉚接研究主要集中在自沖鉚方面，對(duì)普通拉鉚連接研究較少，尤其是CFRP零部件與相鄰零件材料的強(qiáng)度和剛度匹配方面的研究.為此，本文以DC05、HC260Y、DP590、DP780、DP1180和PHS1500鋼板為研究對(duì)象，考察CFRP層合板與不同強(qiáng)度、厚度鋼板的膠接、普通拉鉚連接和膠鉚混合接頭在單向和正向拉伸載荷工況下的連接強(qiáng)度和失效機(jī)理；以接頭材料厚度比和承載系數(shù)比為指標(biāo)，分析CFRP層合板在連接設(shè)計(jì)時(shí)相鄰鋼質(zhì)零件材料的選擇方法，以期為CFRP汽車的連接設(shè)計(jì)提供參考.

1 試驗(yàn)過(guò)程

1.1 材料處理

試驗(yàn)材料為T300-3K模壓CFRP層合板，其中碳纖維絲抗拉強(qiáng)度為 2 052 MPa，基體為改性 3 252 s、140 ℃固化的熱固性環(huán)氧樹脂.CFRP層合板鋪層順序?yàn)閇0/+45/-45/90/0/90/0/90/-45/+45/0]s，其中0、45和90表示鋪層方向分別為0°、45°和90°，S表示對(duì)稱.總厚度 (d)×長(zhǎng)×寬為2 mm×136 mm×36 mm.利用單向拉伸試驗(yàn)獲得板材的抗拉強(qiáng)度(Rm).試驗(yàn)所用鋼板包括DC05、HC260Y、DP590、DP780、DP1180D和PHS1500，其中PHS1500為熱成形淬火處理后的鋼板.各鋼板厚度和抗拉強(qiáng)度如表1所示.

表1 試驗(yàn)用板材的力學(xué)性能參數(shù)Tab.1 Mechanical performance parameters of tested sheets

膠接所用黏接劑為3M公司的雙組份環(huán)氧樹脂膠DP420，固化溫度范圍為4～93 ℃，24 ℃下固化20 min，名義剪切強(qiáng)度為25 MPa，室溫下黏度為 45 000 mPa·s.連接所用的鉚釘為標(biāo)準(zhǔn)不銹鋼拉鉚鉚釘，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12618.4—2006[27]選擇直徑為6.4 mm的鉚釘，根據(jù)母材總厚度選擇鉚釘?shù)墓Q長(zhǎng)度為13 mm.該鉚釘?shù)淖畲罂估d荷為 8.3 kN，最大抗切載荷為12.5 kN.

膠接時(shí)首先用丙酮清洗試樣表面，然后用定量膠槍涂膠，涂膠過(guò)程中嵌入0.2 mm的鋼絲控制膠層厚度，涂膠后將接頭固定以避免兩塊料片發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，并在室溫下放置72 h確保其充分固化.采用數(shù)控銑削加工鉚釘孔.膠接、鉚接和膠鉚混合接頭所用的料片形狀和尺寸相同，但膠接所用的CFRP層合板中沒有預(yù)制鉚釘孔.膠鉚混合接頭在膠接后立即進(jìn)行鉚接，原因?yàn)榇藭r(shí)膠層尚未固化，黏性很小，鉚接過(guò)程中產(chǎn)生的料片微小位移不會(huì)引起膠層內(nèi)應(yīng)力變化.

1.2 單搭接試樣的單向拉伸

單向拉伸試驗(yàn)所用的膠鉚接頭試樣尺寸如圖1所示，膠鉚接頭試樣由膠接的兩塊矩形層合板鉚接而成.單搭接接頭的兩塊母材在厚度方面相差一個(gè)板厚，因此在試驗(yàn)過(guò)程中試樣容易發(fā)生二次彎曲.為避免該問(wèn)題，在試樣的兩端加一塊墊片，墊片厚度依據(jù)其與母材厚度之和與另一端總厚度相等的原則確定.根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASTM D3039/D3039M—17[28]，墊片由兩層組成，上層為120#金剛砂布，下層為5052鋁合金，兩層之間采用環(huán)氧樹脂膠黏接.5052鋁合金質(zhì)地較軟，在夾緊力作用下，可以與試驗(yàn)機(jī)夾頭相接觸的鉗口內(nèi)花紋緊密咬合.金剛砂布與打磨后的CFRP層合板表面接觸可以防止打滑.

圖1 CFRP膠鉚混合接頭的幾何尺寸(mm)Fig.1 Geometric size of hybrid rivet-bonding CFRP joint (mm)

利用MTS E45萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行單向拉伸試驗(yàn).拉伸載荷由力傳感器測(cè)量，變形和應(yīng)變由數(shù)字圖像相關(guān)(DIC)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量.DIC系統(tǒng)的應(yīng)變測(cè)量精度為0.005%，位移測(cè)量精度為0.01像素，圖像采集頻率設(shè)為5 Hz，試驗(yàn)機(jī)橫梁位移速度設(shè)為 1 mm/min.

1.3 十字搭接試樣的正向拉伸

在工程實(shí)際中，接頭需要承擔(dān)垂直于母材平面方向的載荷，即正向拉伸，如圖2(a)所示，其中F為正向拉伸載荷.試樣制作參考的金屬點(diǎn)焊接頭試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為ISO 14272—2016[29]，試樣由兩塊矩形料片垂直交叉連接而成.試樣尺寸如圖2(b)所示，其中碳板母材長(zhǎng)度L=120 mm，母材寬度W=40 mm，螺釘孔距Lb=80 mm，螺釘孔徑Db=8.4 mm，鉚釘孔徑D=6.4 mm.每塊母材兩端各有2個(gè)螺釘孔，試樣通過(guò)螺釘孔與夾具相連，如圖2(c)所示.為減小母材彎曲程度，應(yīng)盡可能縮小兩孔間距.同時(shí)考慮孔間強(qiáng)度，將孔間距設(shè)為板寬度的2倍.膠接試樣中心無(wú)鉚釘孔，涂膠區(qū)域?yàn)閮蓧K母材搭接重疊區(qū)域.

圖2 十字形搭接接頭的正向拉伸試樣及夾具Fig.2 Normal tension specimen and fixture of cross lap joint

2 結(jié)果與討論

2.1 失效模式

圖3為CFRP與不同鋼板的單搭接膠接接頭在單向拉伸載荷作用下的失效形貌.試樣搭接區(qū)域表面黑白色顆粒為在拉伸試驗(yàn)前噴在試樣表面的黑白散斑，DIC系統(tǒng)通過(guò)捕捉散斑的相對(duì)距離測(cè)量變形程度.圖3 (a)和(b)中，鋼板的搭接區(qū)沒有膠層痕跡，露出被打磨的表面，說(shuō)明發(fā)生了鋼板與膠層的界面失效.圖3 (c)中，鋼板和CFRP搭接區(qū)均可看到膠層，說(shuō)明發(fā)生了膠層剪切破壞.圖3(d)中，CFRP搭接區(qū)出現(xiàn)碳纖維絲斷裂和分層，并且鋼板搭接區(qū)有碳纖維層，說(shuō)明發(fā)生了CFRP層合板分層失效.

圖3 單搭接膠接接頭的單向拉伸失效形式Fig.3 Failure morphology of single lap bonded joints under uniaxial tension

圖4為CFRP與不同鋼板十字形搭接接頭在正向拉伸載荷作用下的失效形貌.為方便觀察，圖中的兩塊母材已被旋轉(zhuǎn)到同一方向(下文同).圖4(a)和(b)中，鋼板搭接區(qū)露出表面，說(shuō)明接頭發(fā)生了鋼板與膠層的界面失效.同時(shí)，鋼板兩端向加載方向翹起，即鋼板發(fā)生了翹曲變形，原因?yàn)镃FRP層合板厚度與DC05、HC260Y鋼板的厚度差異較大.十字搭接接頭在正向拉伸載荷和連接區(qū)域黏接力的作用下，呈現(xiàn)3點(diǎn)彎曲的受力狀態(tài).對(duì)平板件而言，厚度直接影響彎曲剛度.剛度在物理內(nèi)涵上為材料所受正向拉伸載荷與該載荷引起的變形之比，即F/δ.而δ與截面厚度成反比，因而較薄的DC05和HC260Y鋼板側(cè)發(fā)生了較大的彎曲變形.該彎曲變形的逐漸加大使其厚度方向應(yīng)力增大，最終導(dǎo)致鋼板與膠層界面發(fā)生失效.圖4(c)和(d)中，被拉開的兩塊母材基本無(wú)明顯彎曲變形，原因一是CFRP層合板與DP1180、PHS1500鋼板的厚度差較小，二是兩塊板材的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)高于CFRP層合板.而DC05和HC260Y鋼板的厚度和抗拉強(qiáng)度較小，這是導(dǎo)致CFRP/DC05、CFRP/HC260Y與CFRP/DP1180、CFRP/PHS1500十字搭接膠接接頭失效形式差異的根本原因.因此，組成接頭的兩塊母材的剛度要相當(dāng)，其強(qiáng)度差異不能過(guò)大，否則會(huì)導(dǎo)致較弱側(cè)材料發(fā)生過(guò)大變形，從而引起失效.

圖4 十字搭接膠接接頭的正向拉伸失效形貌Fig.4 Failure morphology of cross lap bonded joints under normal tension

圖5為單搭接CFRP/鋼鉚接接頭在單向拉伸載荷作用下的失效形貌.圖5(a)和(b)中，鋼板側(cè)發(fā)生明顯翹曲，同時(shí)鉚釘孔處發(fā)生大變形，而CFRP層合板沒有明顯變形和失效.相反，圖5(c)和(d)中，CFRP層合板側(cè)鉚釘孔發(fā)生開裂，碳纖維絲散落.表明在CFRP/DP1180和CFRP/PHS1500鉚接接頭中，CFRP層合板先于鋼板發(fā)生失效，失效形式均為層合板中鉚釘孔發(fā)生斷裂.

圖5 單搭接鉚接接頭的單向拉伸失效形貌Fig.5 Failure morphology of single lap riveted joints under uniaxial tension

圖6為十字搭接CFRP/鋼鉚接接頭在正向拉伸載荷作用下的失效形貌.圖6 (a)和(b)中，CFRP/DC05和CFRP/HC260Y 鉚接接頭失效的主要原因?yàn)殇摪灏l(fā)生較大彎曲變形，導(dǎo)致鋼板從鉚釘中拉脫.而CFRP/DP1180和CFRP/PHS1500鉚接接頭中鋼板基本沒有發(fā)生彎曲變形，但是CFRP層合板發(fā)生彎曲變形，產(chǎn)生彎裂，其鉚釘孔周也出現(xiàn)開裂.

圖6 十字搭接鉚接接頭的正向拉伸失效形貌Fig.6 Failure morphology of cross lap riveted joints under normal tension

圖7為單搭接CFRP/鋼膠鉚混合接頭在單向拉伸載荷作用下的失效形貌.圖7(a)和(b)中，鋼板DC05和HC260Y均發(fā)生顯著翹曲變形，使得鋼板和膠層的界面發(fā)生開裂，并且鋼板側(cè)鉚釘孔發(fā)生較大變形.而圖7(c)和(d)中，接頭彎曲變形不明顯，主要失效形式為膠層開裂.圖7(d)中出現(xiàn)CFRP層合板的分層失效，原因?yàn)閮山宇^中鋼板的強(qiáng)度較大，導(dǎo)致彎曲變形主要發(fā)生在CFRP層合板中，而CFRP層合板的分層臨界應(yīng)力較小.表明CFRP/DP1180和CFRP/PHS1500膠鉚混合接頭在單向拉伸變形中仍存在翹曲變形.

圖7 單搭接膠鉚接頭的單向拉伸失效形貌Fig.7 Failure morphology of single lap riveted joints under uniaxial tension

圖8為十字搭接CFRP/鋼膠鉚接頭在正向拉伸載荷作用下的失效形貌.圖中，4個(gè)接頭中搭接區(qū)域的膠層均發(fā)生開裂，再次表明膠接的正拉強(qiáng)度較低.圖8(a)和(b)中，鋼板發(fā)生顯著彎曲變形，CFRP層合板也存在分層現(xiàn)象.圖8(c)和(d)中，CFRP層合板發(fā)生彎裂，原因?yàn)榻宇^中CFRP層合板的抗彎剛度比DP1180和PHS1500鋼板低，導(dǎo)致彎曲變形發(fā)生在CFRP層合板中.上述所有接頭的失效形式如表2所示.

表2 CFRP/鋼的膠接、鉚接和膠鉚混合接頭的失效形式Tab.2 Failure modes of bonded, riveted，and glued riveted hybrid joints of CFRP/steel

在材料組成方面，CFRP與DC05、HC260Y鋼板組成的膠接、鉚接和膠鉚混合接頭失效的主要原因?yàn)殇摪鍙澢冃芜^(guò)大，導(dǎo)致鋼板與膠層的界面失效、鉚釘孔大變形和CFRP層合板分層.根本原因?yàn)镈C05和HC260Y鋼板的厚度與CFRP層合板厚度差異過(guò)大，導(dǎo)致兩板材的剛度差異較大，引起剛度較小一側(cè)板材發(fā)生大變形，從而直接導(dǎo)致膠層和鉚釘孔開裂.CFRP層合板與DP1180、PHS1500鋼板組成的接頭在單向和法向拉伸載荷作用下的失效均發(fā)生在CFRP層合板中，原因?yàn)镃FRP層合板厚度與DP1180、PHS1500鋼板厚度差相對(duì)較小，并且DP1180和PHS1500鋼板的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)高于本文研究的CFRP層合板.厚度差異和強(qiáng)度差異的共同作用使得DP1180和PHS1500鋼板的綜合承載能力大于CFRP層合板.因此，接頭中CFRP層合板側(cè)屬于偏弱的一側(cè)，導(dǎo)致失效發(fā)生在CFRP層合板中.

2.2 連接強(qiáng)度

圖9為CFRP分別與CFRP、DC05、HC260Y、DP1180和PHS1500共5種板材組成的單搭接膠接接頭的單向拉伸載荷-位移(F1-x1)曲線.增加以相變誘發(fā)塑性高強(qiáng)度鋼TRIP780為母材的單搭接膠接接頭為對(duì)照組.圖中6條曲線可以分為兩類.第一類為CFRP/DP1180、CFRP/PHS1500和CFRP/CFRP曲線，這3條曲線均由2段組成，第一段為近似直線的線性段，反映接頭的彈性變形.載荷達(dá)到峰值點(diǎn)后急劇下降，說(shuō)明接頭發(fā)生脆性斷裂，即膠層的剪切斷裂，表明膠層應(yīng)力達(dá)到膠層的剪切斷裂極限.雖然是不同材料組成的接頭，但是其最大載荷仍然相同，與表2中膠層剪切斷裂的失效模式一致.第二類為CFRP/DC05、CFRP/HC260Y和TRIP780/TRIP780曲線.該曲線大致由3段組成，第一段為線彈性變形階段，主要為鋼板的彈性變形；第二段為典型的低碳鋼塑性變形曲線，說(shuō)明接頭中的DC05、HC260Y和TRIP780鋼板發(fā)生塑性變形；第三段為下降段，鋼板局部變形直至斷裂，應(yīng)力急劇下降.在CFRP/DC05和CFRP/HC260Y膠接接頭中，DC05和HC260Y鋼板的強(qiáng)度和厚度均比CFRP層合板小，因此，拉伸過(guò)程中變形主要集中在較弱的鋼板側(cè).當(dāng)鋼板縱向拉伸變形增大，剛度變小會(huì)誘發(fā)板平面法向的變形，引起金屬板和膠層的界面失效，而不是膠層的剪切斷裂.但是TRIP780/TRIP780膠接接頭中被連接的兩個(gè)母材性能和厚度完全相同，即兩母材的強(qiáng)度和剛度完全相同，當(dāng)母材強(qiáng)度低于膠層剪切強(qiáng)度時(shí)，兩母材同時(shí)發(fā)生塑性變形，于是產(chǎn)生圖中的塑性變形段.在接頭強(qiáng)度方面，CFRP/CFRP、CFRP/DP1180和CFRP/PHS1500接頭的強(qiáng)度基本相同，且強(qiáng)度較高，TRIP780/TRIP780次之，CFRP/HC260Y和CFRP/DC05強(qiáng)度較低.雖然采用同樣的黏接劑，但是母材不同的膠接接頭強(qiáng)度差異很大.因此，接頭設(shè)計(jì)不僅要選擇合適的黏接劑，而且要對(duì)被連接的母材進(jìn)行合理匹配，否則會(huì)產(chǎn)生意外失效.

圖9 膠接接頭的單向拉伸載荷位移曲線Fig.9 Force-displacement curve of bonded joints under uniaxial tension

圖10為6個(gè)鉚接接頭的單向拉伸載荷-位移(F2-x2)曲線.圖中6條曲線按峰值載荷可以分為3類，第一類為CFRP/DP1180和CFRP/PHS1500曲線，其曲線形狀基本相同，接頭的主要失效形式為CFRP層合板鉚釘孔周開裂失效，其最大承載能力由CFRP層合板鉚釘孔強(qiáng)度決定，因此抗拉強(qiáng)度接近.第二類為CFRP/CFRP、CFRP/HC260Y和CFRP/DC05曲線，這3個(gè)接頭在單向拉伸中的峰值載荷分別為3.62、3.9和2.5 kN.其中，CFRP/DC05和CFRP/HC260Y鉚接接頭的主要失效形式是鋼板的翹曲變形過(guò)大引起鋼板鉚釘孔的大變形，試驗(yàn)所用DC05和HC260Y鋼板的強(qiáng)度均低于CFRP層合板，因此，接頭承載能力低于CFRP/DP1180和CFRP/PHS1500接頭.由此表明CFRP/鋼鉚接接頭強(qiáng)度由較弱一側(cè)母材中孔周的強(qiáng)度決定.第三類曲線為TRIP780/TRIP780曲線，該曲線與其他5個(gè)鉚接接頭的載荷位移曲線均不相同，峰值載荷與CFRP/DP1180和CFRP/PHS1500鉚接接頭接近，但是具有典型的塑性變形階段，這與CFRP/DC05和CFRP/HC260Y鉚接接頭類似.原因?yàn)門RIP780的強(qiáng)度比所用不銹鋼鉚釘?shù)目辜魪?qiáng)度大，在拉伸過(guò)程中主要失效形式為鉚釘變形.由于在鉚釘失效前母材先發(fā)生塑性變形，所以出現(xiàn)塑性硬化階段.這再次表明：鉚接接頭強(qiáng)度不僅取決于鉚釘和母材的強(qiáng)度，還與兩者的相對(duì)強(qiáng)弱密切相關(guān).

圖10 鉚接接頭的單向拉伸載荷位移曲線Fig.10 Force-displacement curve of rivet joints under uniaxial tension

圖11為5個(gè)膠鉚接頭的單向拉伸載荷-位移(F3-x3)曲線.圖中，CFRP/CFRP、CFRP/DP1180和CFRP/PHS1500共 3個(gè)接頭的F3-x3曲線呈現(xiàn)3段式.以CFRP/DP1180接頭曲線為例，第一段為AB段，呈線性變化，主要為CFRP層合板、鋼板和膠層的彈性變形，到達(dá)B點(diǎn)時(shí)載荷急劇下降，原因?yàn)槟z層發(fā)生剪切斷裂失效；第二段為BC段，膠層失效后接頭承載能力急劇下降，下降至C點(diǎn)時(shí)鉚釘開始承載；第三段為CD′段，該區(qū)間內(nèi)鉚釘通過(guò)自身的彈塑性變形來(lái)承載，因此最大載荷隨著鉚釘塑性變形增大后下降.CFRP/DC05和CFRP/HC260Y接頭曲線并沒有CFRP/DP1180接頭曲線中的急劇下降段，表明該接頭在單向拉伸變形中，膠層開裂前鋼板已發(fā)生失效，這與其失效模式一致.

圖11 膠鉚接頭的單向拉伸載荷位移曲線Fig.11 Force-displacement curve of rivet-bonded joints under uniaxial tension

圖12為5個(gè)接頭的正向拉伸載荷-位移(F-x4)曲線.其中，CFRP/DP1180和CFRP/PHS1500曲線的變化趨勢(shì)和形狀基本相同，載荷峰值也接近.原因?yàn)閮蓚€(gè)接頭的主要失效形式均為CFRP層合板彎裂，接頭強(qiáng)度均由CFRP層合板的層間強(qiáng)度決定，接頭強(qiáng)度相同.此外，兩曲線中出現(xiàn)2～3個(gè)轉(zhuǎn)折段，如CFRP/DP1180曲線中的AB、CD′和EF′段，原因?yàn)樵摻宇^在承受法向拉伸載荷時(shí)，金屬板材有沿著鉚釘軸線方向發(fā)生相對(duì)位移的趨勢(shì)，而鉚釘在鉚接后發(fā)生不同程度的鐓粗變形，且變形量沿鉚釘軸線方向存在不同，鉚釘直徑自釘帽端向釘尾端呈現(xiàn)小—大—小—大的規(guī)律[30].因此，鋼板在正向拉伸載荷作用下沿著鉚釘軸線方向運(yùn)動(dòng)，鉚釘孔隨著鉚釘直徑的改變而發(fā)生不同程度變形，引起接頭整體載荷的先減小后增大，之后又減小再增大的變化現(xiàn)象.

圖12 十字搭接鉚接接頭的正拉載荷位移曲線Fig.12 Force-displacement curve of cross lap rivet joints under normal tension

CFRP/CFRP曲線呈“M”形，該曲線明顯區(qū)別于其他4條曲線，主要原因?yàn)樵诶碚撋?，CFRP/CFRP鉚接接頭兩塊母材的強(qiáng)度和剛度完全相同，在正向拉伸過(guò)程中主要變形集中在鉚釘孔周.鉚釘孔彈性變形增大了鉚釘和鉚釘孔的間隙，使CFRP層合板和鉚釘產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，導(dǎo)致接頭載荷下降，如圖中IJ段所示.下滑一定距離后，CFRP層合板遇到鉚釘直徑增大的區(qū)域，這時(shí)其鉚釘孔表面和鉚釘緊密接觸，因此接頭載荷逐漸增加，如圖中JK段所示.CFRP層合板是由碳纖維絲和樹脂基體組成，加工鉚釘孔時(shí)切斷了其碳纖維絲，當(dāng)其被拉至鉚釘尾端時(shí)，鉚釘孔膨脹，使得切斷的碳纖維絲從基體中拔出，發(fā)生鉚釘孔周開裂，接頭完全失效，承載能力急劇下降.與CFRP/CFRP接頭相比， CFRP/HC260Y接頭中金屬板的強(qiáng)度和剛度均低于CFRP層合板，使得接頭在承載過(guò)程中變形主要集中在鋼板側(cè).鋼板韌性較好，其鉚釘孔周可以容許的變形量遠(yuǎn)大于CFRP層合板，因此CFRP/鋼的鉚接接頭最大正向拉伸載荷均大于CFRP/CFRP鉚接接頭，且位移也較大.

CFRP/DC05曲線與其他4條曲線差異較大，該曲線呈遞減趨勢(shì)，原因?yàn)镃FRP層合板的強(qiáng)度和剛度均比DC05鋼板大很多，正向拉伸過(guò)程中變形集中在DC05鋼板鉚釘孔區(qū)域，該鉚釘孔周發(fā)生大塑性變形，鉚釘孔由圓形變成橢圓形，并且DC05鋼板彎曲變形程度非常嚴(yán)重(見圖6(a)).DC05鋼板鉚釘孔很快產(chǎn)生開裂，接頭失去承載功能，鉚釘和CFRP層合板沒有發(fā)揮承載能力就發(fā)生失效.因此，對(duì)于有承載要求的結(jié)構(gòu)，應(yīng)避免將強(qiáng)弱差異較大的母材作為相鄰結(jié)構(gòu)材料.

圖13為CFRP與CFRP和4種鋼板組成的膠接、鉚接和膠鉚混合接頭的最大單向拉伸載荷(FUmax)和最大正向拉伸載荷(FNmax)，每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)均取5個(gè)重復(fù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值.單搭接膠接和膠鉚混合接頭的平均拉剪強(qiáng)度遠(yuǎn)高于鉚接接頭，十字搭接鉚接和膠鉚混合接頭的平均正拉強(qiáng)度高于膠接接頭.表明膠接接頭有較高拉剪強(qiáng)度，但是其正拉強(qiáng)度較差.在不同材料組成的接頭中，CFRP/DP1180和CFRP/PHS1500比CFRP/DC05和CFRP/HC260Y具有更高的抗拉剪強(qiáng)度和正拉強(qiáng)度.因此，在CFRP零部件設(shè)計(jì)中，應(yīng)選擇與CFRP層合板強(qiáng)度和剛度相近的材料進(jìn)行連接.

圖13 膠接、鉚接和膠鉚混合接頭的單向和正向拉伸強(qiáng)度Fig.13 Strength of bonded, riveted，and rivet-bonding joints under uniaxial tension and normal tension

2.3 接頭材料選擇

相同強(qiáng)度和厚度CFRP層合板與不同強(qiáng)度和厚度鋼板組成的接頭失效形式和連接強(qiáng)度差異較大，因此在連接設(shè)計(jì)中，選擇相鄰零件材料非常關(guān)鍵.連接失效分為連接區(qū)域失效和母材失效兩種，本文主要針對(duì)母材失效接頭材料選擇方法進(jìn)行總結(jié).

在CFRP/鋼接頭中，CFRP層合板和鋼板所承受的最大載荷為

Fmc=RmcAc

(1)

Fms=RmsAs

(2)

式中：Fmc和Fms分別為CFRP層合板和鋼板所承受的最大載荷；Rmc和Rms分別為CFRP層合板和鋼板的抗拉強(qiáng)度；Ac和As分別為CFRP層合板和鋼板的橫截面積.兩母材橫截面寬度相同，結(jié)合式(1)和式(2)可得，CFRP/鋼接頭中兩板材的極限承受載荷之比為

(3)

式中：tc和ts分別為CFRP層合板和鋼板的厚度.兩板材厚度比k=tc/ts，則

(4)

即兩板材組成接頭的最大承載水平與厚度差和其抗拉強(qiáng)度比成正比.在同樣拉伸力作用下，CFRP層合板和鋼板的內(nèi)部應(yīng)力比為

(5)

即CFRP/鋼接頭在單向拉伸載荷作用下內(nèi)應(yīng)力大小與板材厚度成反比，材料厚度越大內(nèi)應(yīng)力越小，材料厚度越小內(nèi)應(yīng)力越大，因此，厚度差越大內(nèi)應(yīng)力水平差異也越大.在本文研究的CFRP/鋼接頭中，CFRP/DC05接頭厚度差最大，CFRP/PHS1500接頭厚度差最小，由此判斷CFRP/DC05接頭中兩塊板材應(yīng)力差最大，即DC05鋼板中內(nèi)應(yīng)力最大.同時(shí)，該鋼板抗拉強(qiáng)度在4種鋼板中最小，因此CFRP/DC05接頭的整體強(qiáng)度最小.不同材料的k和λ值如表3所示.為獲得足夠多數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)定量分析，增加DP590和DP780鋼板數(shù)據(jù).

表3 被連接材料的厚度和最大承載能力比較

圖14 各類接頭強(qiáng)度隨厚度比的變化Fig.14 Strength of various joints versus thickness ratio

圖15 各類接頭強(qiáng)度隨母材承載能力的變化Fig.15 Strength of various joints versus the bearing capacity of the base metal

綜上可得，在設(shè)計(jì)CFRP層合板結(jié)構(gòu)件時(shí)，相鄰金屬板材的厚度比推薦范圍為1.37～1.91，極限承受荷載比范圍為0.9～1.52.按照該方法選擇的材料，其膠接、鉚接和膠鉚接頭均可以達(dá)到最大強(qiáng)度的80%.

3 結(jié)論

(1) CFRP層合板與鋼板的膠接、鉚接和膠鉚混合連接時(shí)，失效模式由兩母材的強(qiáng)度和剛度差異決定.強(qiáng)度和剛度相差較大引起較弱一側(cè)的大變形或二次彎曲，這是導(dǎo)致單搭接和十字形搭接接頭失效的主要原因.因此，應(yīng)選擇與CFRP零件強(qiáng)度和剛度相近的材料進(jìn)行連接.

(2) 在單搭接和十字形搭接連接設(shè)計(jì)時(shí)，CFRP零部件與相鄰鋼板厚度比的推薦范圍為1.37～1.91，極限承受荷載比的推薦范圍為0.9～1.52.滿足此條件的接頭，其單向和正向拉伸強(qiáng)度均可達(dá)到相同厚度和強(qiáng)度的同類型接頭強(qiáng)度的80%.

(3) 在單搭接、十字形搭接鉚接和膠鉚混合接頭中，均出現(xiàn)CFRP層合板鉚釘孔周失效，即鉚釘孔周是CFRP層合板鉚接連接的薄弱環(huán)節(jié).

(4) 單搭接CFRP/鋼膠接和膠鉚混合接頭的拉剪強(qiáng)度遠(yuǎn)大于單搭接鉚接接頭.十字搭接CFRP/鋼鉚接和膠鉚混合接頭的正拉強(qiáng)度大于十字形搭接膠接接頭.同種搭接形式下，膠接接頭的拉剪強(qiáng)度最高，正拉強(qiáng)度較差.