含缺陷膠接接頭的內聚強度受不同外載作用影響的研究

張建軍,趙興國,梁　偉,李　云

(1.中北大學 理學院,太原 030051;2.太原理工大學 材料科學與工程學院,太原 030024)

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含缺陷膠接接頭的內聚強度受不同外載作用影響的研究

張建軍1,2,趙興國2,梁偉2,李云1

(1.中北大學 理學院,太原 030051;2.太原理工大學 材料科學與工程學院,太原 030024)

摘要:利用TS-802高強度膠黏劑對高碳不銹鋼進行對接膠接接頭連接,對不同固化過程試樣,分別采用單軸拉伸和四點彎曲實驗，測試研究其對接膠接接頭的內聚強度;通過隔離體平衡法和中性軸平移法分析了四點彎曲加載方式下界面應力的演化過程,并通過實驗驗證膠黏劑的層內缺陷對內聚強度的影響。研究表明,室溫下固化24 h與80 ℃固化2 h相比,后者具有更高的內聚強度;在固化過程中，膠黏劑膠層內部不可避免產生缺陷,缺陷主要集中在中央區域,而在邊緣區域為光滑無缺陷區,因此四點彎曲加載方式下界面具有更高的邊緣應力內聚強度;隔離體平衡法和中性軸平移法兩種理論分析均表明，常規彎曲應力公式與本文中推導得到的應力公式的理論比值為2.5.本文的實驗和理論研究有助于更系統和更深入地理解膠黏劑的內聚強度受不同固化方式及不同強度測試手段的影響。

關鍵詞:對接接頭;膠黏劑;單軸拉伸;四點彎曲;缺陷;內聚強度

膠黏劑是一類能夠連接同質或異質材料,并使兩者之間形成膠接結構的結合劑,如金屬和金屬、金屬和非金屬、金屬和陶瓷等結構件的粘結。膠黏劑由于其經濟、實用、易于裝配而被廣泛應用于建筑物、車輛、艦船、飛機、宇宙飛行器等領域[1]。近年來,與膠黏劑相關的研究主要集中在以下方面:與膠黏劑膠層厚度有關的內聚強度的研究[2];利用膠黏劑構造單搭接和雙搭接接頭的承載力的研究[3];粘聚區模型(CZM)本構關系和斷裂機理的研究[4];正對接接頭和斜對接接頭理想承載能力研究[5]等。對于那些用膠黏劑連接的構件在服役過程中關注較多的就是其內聚強度[6],尤其是對于在膠接接頭固化過程中,膠層中產生的孔洞等缺陷對其內聚強度和應力演化的影響。因此,要充分理解含缺陷的膠黏劑的內聚強度的變化規律,往往要從膠黏劑在工作時的受力狀態入手進行分析[7]。

利用TS-802雙組份膠黏劑對高碳不銹鋼進行對接膠接接頭連接,在獲得相同膠層厚度的前提下,采用不同固化過程研究其對接膠接接頭的內聚強度。研究中對同一固化試樣分別采用單軸拉伸和四點彎曲進行室溫下膠黏劑內聚強度的測試,通過理論計算獲得四點彎曲測試的膠接接頭的內聚強度要高于單軸拉伸測試的結果。本研究從涉及的基本理論入手,通過隔離體平衡法和中性軸平移法2種基本理論推導四點彎曲的修正彎曲公式,分析了2種不同加載方式下界面應力的演化過程造成差異較大的內聚強度的理論原因,通過相應的實驗分析驗證膠黏劑的內層缺陷對內聚強度的影響。

1實驗過程

1.1對接膠接接頭和固化

試驗中采用2根直徑為10 mm,長度為60 mm的8C13CrMoV型高碳不銹鋼作為被粘物,用商用TS-802雙組份高強度膠黏劑按其體積比為1∶1比例均勻拌合后涂抹在鋼棒的圓截面上進行對接粘接并保持軸向度,指壓5 min后進行室溫下固化24 h或熱處理爐中80 ℃固化2 h兩種不同的固化處理。固化后的膠層厚度約為0.08～0.10 mm.固化完成后用1200號砂紙將溢出的膠瘤仔細打磨掉。

1.2 軸向拉伸和四點彎曲

利用電子萬能試驗機(CMT5205)進行膠黏劑內聚強度的測試。圖1為本研究采用的兩種加載方式的示意圖。測試均在室溫下進行,萬能試驗機的橫梁移動速度為0.5 mm/min,為準靜態加載方式。在單軸拉伸測試時用標距為50 mm的引伸計記錄其應力-應變曲線。在四點彎曲時采用CMT5205自帶的四點加載裝置進行對稱彎曲測試。

a-uniaxial tensile test;b-four-point bending test圖1　膠黏劑內聚強度測試示意圖Fig.1　Testing schematic of cohesion strength

2結果和討論

2.1膠黏劑的單軸拉伸應力-應變行為

當進行單軸拉伸測試時,TS-802膠黏劑膠層和8C13CrMoV型高碳不銹鋼的橫截面上的軸力相同,因此應力相同;同時,由圖2拉伸應力-應變曲線可知膠黏劑在受單軸應力狀態近似服從線彈性變形本構方程σ=Eε,其中σ為正應力,ε為線應變,E為楊氏模量。一般的膠黏劑的楊氏模量(E)為0.05～5.0 GPa,泊松比(μ)為0.3～0.4[8];在本研究中8C13CrMoV型高碳不銹鋼的楊氏模量(E)為220 GPa,但TS-802膠黏劑的楊氏模量(E)僅有0.065 GPa,數量級相差懸殊,因此Esteel?Eadhensive,可知εadhensive?εsteel. 因此,可近似地認為,在拉伸過程中8C13CrMoV型高碳不銹鋼幾乎沒有拉伸應變,故由引伸計測出的拉伸應變只代表膠黏劑的應變。圖2的應力-應變曲線反映了膠黏劑在拉應力作用下服從近線彈性斷裂過程。

表1呈現了膠黏劑內聚強度的測試結果。其中：σa1和σb1數據為室溫固化24 h條件下分別進行單軸拉伸和四點彎曲的測試結果;σa2和σb2數據為80℃保溫2h固化條件下分別進行單軸拉伸和四點彎曲的測試結果。試驗中單軸拉伸和四點彎曲分別使用式(1)和式(2)進行理論計算:

(1)

(2)

式中:FN為軸力;A為橫截面面積;M為彎矩;D為圓截面直徑;I為關于過圓心水平方向對稱軸的慣性矩。

圖2　80 ℃保溫2 h固化膠黏劑的典型的應力-應變曲線Fig.2　Typical stress-strain curve ofadhesive cured at 80 ℃ for 2 h

2.2兩種理論分析

分別對比表1中σa1和σb1,以及σa2和σb2的數據發現:相同的固化條件和相同厚度的膠黏劑在兩種不同的測試方法下所得內聚強度數值差異較大,這與實際情況不符。為充分解釋這種異常差異出現的原因,本研究從理論分析出發,用2種完全不同的思路進行了界面應力演化的理論推導和分析,進而通過實驗進行深入驗證。

實驗表明,在80 ℃下進行2 h膠黏劑固化的內聚強度要高于室溫固化24 h的內聚強度;同時實驗中發現,含缺陷的對接膠接接頭在受四點彎曲加載的條件下具有更高的內聚強度。文中對這一現象進行了理論研究,并提出2種分析方法,得到相應的解析公式。

表1　2種不同固化過程的膠黏劑分別進行單軸拉伸和四點彎曲測試其內聚強度

2.2.1隔離體平衡法

該方法取包含膠黏劑和8C13CrMoV型高碳不銹鋼在內的一半作為隔離體進行平衡分析,圖3為分析時采用的示意圖。由于8C13CrMoV型高碳不銹鋼的楊氏模量和強度遠高于膠黏劑TS-802對應值,所以在加載過程中膠黏劑膠層只發生線彈性變形,不銹鋼鋼棒只產生剛性轉動。因此在四點彎曲加載條件下,鋼棒上側發生剛性接觸,在接觸點上出現剛性接觸力Fc.

圖3　隔離體平衡法分析示意圖Fig.3　Analysis schematic by free-body equilibrium

在膠黏劑層界面上出現線性分布的平行力系,其最大值為σb′,σx是距離剛性接觸點為y處的值,由線性比例關系可知:

(3)

式中,D為鋼棒圓截面的直徑。由平行力系的合力Fr和剛性接觸力Fc在x方向平衡,同時平行力系的合力Fr與剛性接觸力Fc構成的力偶與外力偶M平衡,則有關系:

(4)

(5)

于是微面積上的微合力為:

(6)

則平行力系在整個圓截面上的合力為:

(7)

由合力距定理可以求得合力作用點到剛性接觸點的距離yr:

(8)

從圖中可知:

(9)

將式(7)、式(8)和式(9)帶入式(5)可得:

(10)

聯立求解式(7)和式(10),可知:

(11)

對比式(2)和式(11)可發現

(12)

從式(12)可知常規的計算得到的結果是本文推導結果的2.5倍。因此在四點彎曲加載情況下,膠黏劑的真實的內聚強度為σb′對應數據。

2.2.2中性軸平移法

圖4-a中為常見的彎曲應力分布圖,即應力在中性軸z的兩側呈對稱分布,即一側受拉,另一側受壓,可以利用彎曲應力公式進行最大拉(壓)應力的求解:

(13)

式中:D為圓截面直徑;慣性矩

則:

(14)

式中，Mz為橫截面上的彎矩,其與外力矩M平衡。圖4-b為鋼棒剛度遠大于膠黏劑時界面上的應力分布規律,可知中性軸z從原來的位置移動至上側邊緣z′處,在該位置鋼棒發生剛性接觸。整個截面上全部為拉應力且呈線性分布。由于中性軸發生平移,則關于z′慣性矩為:

(15)

(16)

此時求解最大拉應力的公式:

(17)

對比式(14)和式(17)可發現:

(18)

常規計算應力公式值的結果是修正后公式結果的2.5倍。

對比隔離體平衡法和中性軸平移法,推導發現盡管2種推導思路不同,但是得到了完全相同的結果。由于膠層和被粘物的彈性模量的巨大差異,導致膠層內的應力分布規律不同于均勻材料的應力分布規律;進行四點彎曲測試時界面應力的演化及其分布不同于常規材料,是產生差異的本質原因。說明，對于彈性模量差異巨大的膠接接頭結構,用常規的彎曲公式計算方法已經不適合,而需要用本文提出的修正結果進行計算。

圖4　中性軸平移法分析示意圖Fig.4　Analysis schematic by neutral axis translation

2.3膠黏劑膠層內缺陷對內聚強度的影響

膠接對接接頭在粘接固化過程中不可避免的在膠層內部產生氣孔,從而降低其內聚強度;而孔洞缺陷位置主要集中在粘接區的中央區域,因此當加載方式不同時導致界面應力分布規律顯著不同,因而導致其極限內聚強度的差異。圖5為在80 ℃保溫2 h固化后進行單軸拉伸測試斷裂后的膠黏劑的斷口形貌圖。圖中可見在固化過程中形成的夾雜和氣孔等缺陷主要集中在位于中央的圓形區域內,而在距邊緣為0.8～1.0 mm的環形區域內的斷口光滑,幾乎未見任何缺陷;同時還發現在中心區域內斷口為韌窩狀塑性斷裂,而在邊緣區域內則為脆性的片層狀斷裂;斷口總體表現為近似線彈性斷裂,如圖2所示。

a-uniaxial tensile test;b-four-point bending test圖5　斷裂后的膠黏劑的斷口形貌圖Fig.5　Fracture morphology of the adhesives

分別對比室溫固化條件下單軸拉伸和四點彎曲的數據σa1和σb1′,以及80 ℃保溫2 h固化膠黏劑σa2和σb2′的數據發現,室溫24 h固化的膠黏劑單軸拉伸和四點彎曲測試的內聚強度平均值分別為20.96 MPa和25.70 MPa,后者比前者高22.61%;而80 ℃保溫2 h固化的膠黏劑單軸拉伸和四點彎曲測試得到的內聚強度平均值分別為28.54 MPa和40.24 MPa,后者比前者高41.00%.對于相同的加載方式,80 ℃固化2 h時可以獲得更高的內聚強度,這是由于在較高溫度固化時構成膠黏劑的高分子支鏈更易發生交聯反應而生成具有更大強度的大分子結構;同時在較高溫度固化時所需時間遠小于室溫固化時間,因此固化效率也更高。

除此之外,這種情況的出現和膠層中所含的缺陷也有緊密的聯系。在單軸拉伸測試過程中,膠層中分布著與加載方向平行且均勻分布的拉應力,且隨著外載荷的不斷增加,拉應力隨之增加;這樣在中央區域的孔洞周邊極易因為Griffith現象(脆性材料中存在的細小的微裂紋或缺陷在外力作用下產生應力集中的現象;當應力達到一定程度時,裂紋開始擴展最終導致斷裂)而造成微裂紋的萌生、擴展和匯聚,因此在膠黏劑的斷口形貌中可以看到呈韌性斷裂特點;當中央區域承載能力急劇下降乃至消失后,只剩下邊緣不含缺陷的環狀帶承載而導致脆性斷裂。但是,在四點彎曲加載測試過程中由于形成了與單軸拉伸過程不同的應力分布(圖3和圖4-b),在該測試過程中界面上的最大應力從邊緣開始,同時高應力出現的區域恰好是膠黏劑在固化時形成密實無缺陷的區域,在該區域可以承受高于單軸拉伸時的平均應力;由于加載導致的膠層的拉應力呈三角形線性分布,因此易知在缺陷集中出現的中央區域內其應力僅為達到膠黏劑在兩種固化條件下的極限內聚強度的平均應力(25.70，40.24 MPa)的一半(即:12.85，20.12 MPa),小于其對應固化條件下單軸拉伸測試時的內聚強度(20.96，28.54 MPa)。由此可知,在四點彎曲加載情況下,中央區域內出現的孔洞對其極限內聚強度的影響甚微;換言之,在Griffith現象出現之前,膠黏劑就已經達到了內聚強度的極限值,這也就解釋了在四點彎曲加載條件下膠黏劑內聚強度高于單軸拉伸情況的原因。

3結論

1) 膠黏劑在80 ℃保溫2 h固化后的內聚強度要高于其在室溫下固化24 h的內聚強度。這是由于在較高溫度下固化時膠黏劑內部易發生高分子高度交聯和生成不易破壞的共價鍵。

2) 進行了兩種不同思路的理論推導,即隔離體平衡法和中性軸平移法,兩種方法得到了完全一致的結果,即:常規的四點彎曲測試的結果值是推導得到公式計算結果值的2.5倍。

3) 由于膠黏劑在固化過程中產生了隨機分布在中央區域內的夾雜和氣泡,這些缺陷會對單軸拉伸測試中膠黏劑內聚強度產生副作用;對于四點彎曲而言,由于其最高應力是從不含缺陷的邊緣處開始的,因而具有相比單軸拉伸更高的內聚強度。

4) 不論以哪種方式加載,膠層的破壞都表現為中央區域內呈韌性斷裂,邊緣環狀區域內呈脆性斷裂的特征。

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(編輯：李文娟)

Investigations on Cohesion Strength of Adhesive Butt-joint with Defects Subjected to Different Loading Modes

ZHANG Jianjun1,2,ZHAO Xingguo2,LIANG Wei2,LI Yun1

(1.SchoolofScience,NorthUniversityofChina,Taiyuan030051,China;2.CollegeofMaterialsScienceandEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China)

Abstract:The commercial adhesive TS-802 with high cohesive strength was used to obtain different strengths of butt-jointed stainless steel under different curing conditions.Uniaxial tensile test and four-point bending test were performed to measure the cohesion strength of adhesive butt-joint.To elucidate the interface stress evolution under four-point bending mode,the theoretical analysis of free-body equilibrium method and neutral axis translation method were conducted.Experimental research was carried out to verify the influence of adhesives layer defects on cohesion strength.Results show that the cohesion strength of butt-joint cured at 80 ℃ for 2 h was higher than that cured at room temperature for 24 h. The adhesive butt-joint inevitably produced defects during the curing process, which were randomly distributed in the middle zone of the adhesive.Thus,under the four-point bending loading the interface had higher edge stress cohesion strength.Theoretical analysis shows that the theoretical ratio was 2.5 by comparing the conventional bending formula with the derived formula in this paper. This research is helpful to understand the adhesives cohesive strength influenced by both curing methods and stress loading modes.

Key words:butt-joint;adhesive;uniaxial tensile;four-point bending;defects;cohesion strength

文章編號:1007-9432(2016)02-0134-06

*收稿日期：2015-05-27

基金項目：國家自然科學基金資助項目:鎂鋁復合板的拉深成形行為及其變形微觀機制(51175363)

作者簡介：張建軍(1976-),男,山西壽陽人,博士生,講師,主要從事鎂鋁層合板的制備及其力學性能研究,(E-mail)39439508@qq.com通訊作者：梁偉,教授,博士生導師,主要從事材料微觀組織結構分析及輕合金制備加工方向研究,(E-mail)liangwei@tyut.edu.cn

中圖分類號:O344.1；TB302.3

文獻標識碼:A

DOI：10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2016.02.002