金屬/環氧/金屬粘結體系的強韌和失效機制實驗研究1)

李景傳 梁立紅 劉小明 馬寒松 宋晶如 魏悅廣

*(中國科學院力學研究所非線性力學國家重點實驗室，北京 100190)

?(北京大學工學院，北京 100871)

**(中國科學院大學工程科學學院，北京 100049)

金屬/環氧/金屬粘結體系的強韌和失效機制實驗研究1)

李景傳*,**,2)梁立紅*劉小明*馬寒松*宋晶如*魏悅廣?,3)

*(中國科學院力學研究所非線性力學國家重點實驗室，北京 100190)

?(北京大學工學院，北京 100871)

**(中國科學院大學工程科學學院，北京 100049)

本文系統地開展了金屬/環氧/金屬膠結體系的強韌機理及失效行為實驗研究，針對鋁合金圓棒與鋁合金圓棒通過環氧樹脂膠層的各種斜截面方向粘結，實驗觀測了該體系的拉伸變形和失效行為，測量了界面失效載荷對膠層厚度和粘結界面傾斜角的依賴關系；通過引入膠結界面平均正應力、平均剪應力、平均正應變、平均剪應變等概念，可對界面失效強度進行測量，獲得界面強度與界面粘結角度以及膠層厚度的關系，進而獲得了鋁合金/環氧膠層/鋁合金體系的強度失效面以及膠結界面的斷裂能和膠結體系的能量釋放率.上述研究結果為深入認識金屬膠結體系的強韌性能和失效機制提供了科學依據，對金屬膠結體系的優化設計和性能評判具有重要指導意義.研究結果表明，鋁合金/環氧膠層/鋁合金體系的拉伸失效總體呈彈脆性破壞特征，失效表現為膠層粘結界面的斷裂，失效強度和界面斷裂能在膠層厚度為百微米量級時表現出強烈的尺度效應：界面粘結強度隨著膠層厚度的減小而顯著增大，臨界狀態的平均正應力和平均剪應力在強度破壞面上近似位于同一圓上，界面斷裂能隨著膠層厚度的減小而顯著減小；與此同時，界面失效強度和界面斷裂能也密切依賴于界面粘結角度.

金屬膠結,膠層厚度,失效載荷,失效強度,界面能

引言

金屬粘結體系在航空航天、船舶、汽車等工業領域有著廣泛的應用.與常規的鉚接、焊接以及螺釘穿孔連接比較，粘結技術的突出優勢在于它在一定程度上避免了金屬構件間由于鉚接、焊接以及螺釘穿孔連接引起連接區域出現高的殘余應力和變形以及由此導致應力奇異性、裂紋萌生、裂紋擴展以及引起總體斷裂的問題，除此之外，在保證產品性能滿足工業需求的情況下，粘結技術具有制造工藝簡單等優勢，因而受到工業界的廣泛重視.簡單總結起來，粘接技術是一種用膠黏劑將構件與構件連接和固定起來的方法，它有如下方面的優勢：(1)改善接頭附近的應力分布，減小應力集中；(2)膠結工藝操作方便，膠結結構重量小、外觀美觀以及價格低廉等；(3)設計思路和方法、選材等范圍廣泛；(4)膠結結構具有良好的抗腐蝕能力等[1].因此膠結體系在航空航天工業、汽車工業以及民用工程等領域得到了越來越廣泛的應用[2-8].為與工業應用和廣泛需求相適應，近幾十多年來對膠結體系的強韌性能開展了廣泛的研究，同時也對粘結劑的性能以及新型粘結劑的研制等開展了大量的研究，例如，研究了含填充物的膠黏劑性能[9]、不同膠結體的粘結特性[10-11]、膠結體系在特殊環境(潮濕[12]、高溫[13]等)下的應用等.

膠結體系的突出優勢體現在它的膠結界面具有良好的強韌特性，有效地刻劃這種強韌機制對設計新型膠結體系實現產品更新至關重要.然而，由于膠結界面層的應力狀態比較復雜，導致膠結體系的強度和失效行為難以清楚地表征[10-11,14-15].之前對膠結體系強韌性能及破壞機制的研究重點是從實驗和計算模擬兩方面開展，研究了膠層中的應力分布和界面邊緣的應力集中問題，研究了膠結體系在復雜載荷條件下的力學特性.在實驗研究方面，普遍采用了一種復合加載系統(改進的Arcan試樣)用以測量塊體粘結試樣在(拉–剪和壓–剪)復合加載條件下的界面斷裂行為[16-19].也有學者采用斜接接頭試樣開展研究[10-11]，研究了不同載荷條件下膠結體系的強度及破壞特征，例如彎曲載荷[20-21]、沖擊載荷[22]、疲勞載荷[23-24]等.Nakano 和 Sekiguchi[20]研究了彎曲載荷對斜接件的作用，發現當膠層厚度減小或者當膠的楊氏模量增大，界面邊緣處的應力奇異性減小以及接頭強度增大，該結論與斜接頭在拉伸載荷作用時的破壞情況類似.他們的研究還發現，當斜接角度在60°附近時，接頭破壞所需彎矩最大，這與采用最大主應力準則模擬得到的結果相吻合.人們還研究了膠層附近的應力分布[20,25]和應力集中[10]現象，其中Afendi和Teramoto[11]設計了膠層兩端不同種被粘物的斜接接頭，研究其強度和破壞，他們通過實驗測量和有限元數值模擬，發現應力集中最顯著的地方在鋼和膠的界面拐角處，裂紋從該處起始，過渡到另一端鋁和膠的界面拐角處.他們定義了界面角韌性[26]，用以刻劃膠接件的強度，得到的結果與實驗吻合較好.他們的實驗觀測展示：膠接件的失效常從自由邊界起始.有些學者也采用了雙斜接接頭[21,27]和改進的斜接接頭[28]試樣開展研究.Gacoin等[27]研究了雙斜接接頭內部幾何特征產生的奇點對膠接件損傷演化的影響，結果發現，當試樣受軸向拉伸載荷作用以及斜接角度大于18°時，初始裂紋的產生將被抑制.過去對斜接接頭的情況的研究主要涉及對膠接件中的應力分析和接頭失效強度預測.一些學者采用二維模型研究靜態載荷下斜接接頭應力狀態和強度預測[29-30]，有的學者采用三維模型研究斜接接頭界面邊緣的應力奇異性[31-32].國內期刊也刊登了眾多相關領域的研究成果，例如：許巍等[33]的綜述介紹了粘結界面的破壞機理及影響因素等相關研究,總結了國內外在粘結層尺度效應方面的研究現狀；張軍等[34]采用脆性和延性兩種類型膠黏劑,對其粘接的對接試樣進行了單拉、純剪以及斷裂等實驗；李慧等[35]利用拉–剪實驗研究了各種金屬表面預處理方法對聚合物粘結強度的影響；王詢等[36]從鋁合金表面粗糙度、微觀織構、表面氧化層和涂層化學特性等方面入手,對鋁合金膠接接頭的界面強度和耐腐蝕性能影響的研究現狀進行了綜述.

雖然對膠結體系的強韌機制已開展了大量的研究，揭示出了若干現象及規律，但對認識膠結體系特別是膠結界面的力學機制仍然需要開展系統深入的研究.先前在研究膠結體系的強韌機制時，主要采用的是棱柱形試樣，研究結果無疑在較大程度上依賴于膠結界面上棱點附近區域的額外應力奇異性效應，對實驗試樣制備來說該種額外奇異性效應對膠層粘結質量十分敏感，這在很大程度上增加了從實驗結果理解粘結力學機制的復雜性.為了消除這種額外的應力奇異性效應，本文采用圓柱形膠結體系試樣，集中研究膠結界面的強韌力學機制，揭示膠結體系的強韌及破壞機理，為新型膠結體系的優化設計提供理論依據.本文選取航空航天等工業領域常用的鋁合金被粘物和環氧樹脂膠黏劑作為研究對象，采用圓柱形試樣開展研究.與常見的矩形截面試樣相比，圓柱形試樣無棱點的額外應力奇異性效應，只有界面邊緣處的應力奇異性效應起作用.對不同斜接角度和膠層厚度的試樣系統地進行實驗，然后分析實驗結果，獲得對膠結體系強韌機制的表征，進而建立膠結體系的失效準則.

1 實驗方案及實驗過程

為了模擬航空航天領域常用的膠結件的強韌性能，本文特選取鋁合金/環氧/鋁合金體系作為研究對象開展系統性的實驗研究，鋁合金（2A12-CZ）為常規的輕質鋁合金材料，其基本力學性能參數見表1所示；環氧樹脂膠層為上海康達公司研制的萬達1001號環氧樹脂，這種膠黏劑可以在常溫指壓下3～8 min固化定位，30～60 min達到70%的極限強度，24 h后達到極限強度，該環氧樹脂膠黏劑的基本力學性能參量見表2所示[37]，其中E，σs和ν分別是楊氏模量、0.2%彈性極限應變對應的應力強度和泊松比.表2中列出了3個試樣，根據標準制備拉伸試樣，準靜態加載得到力位移曲線，然后計算得出其相應力學參量值，環氧樹脂標準試樣的最大拉伸強度和剪切強度分別為6.93 MPa和9.19 MPa[37]，是一種高強度結構膠.可見，被粘物鋁合金 2A12-CZ的強度和模量大約是環氧樹脂的150倍，在試樣整個破壞過程中變形相對較小.

表1 鋁合金被粘物的材料參數Table 1 Mechanical property parameters of aluminum alloy

表2 環氧樹脂膠黏劑的材料參數Table 2 Mechanical property parameter of epoxy

膠結試樣的尺寸見圖1所示.其中黑色部分為環氧樹脂膠層，膠層兩端為被粘物鋁合金，橫截面為圓形，被粘物鋁合金兩端打孔方便加載，試樣直徑、總體長度(除膠)和孔大小位置保持不變.其中t為膠層厚度，變化范圍為0.1～0.6 mm，θ為膠層斜接角度，在本研究中可選取為0°～70°變化范圍.

粘接之前，將鋁合金被粘物浸入無水乙醇中，用超聲波清洗機清洗5 min，以去除油污、泥沙等雜物.取出后在水流下沖洗干凈，用#600砂紙把鋁合金棒表面打磨均勻，磨痕與粘接面橢圓的短軸方向平行，以實現更好的界面結合.打磨后用清潔的無水乙醇在超聲波清洗機里清洗5 min，取出后用吹風機冷風吹干，立即進行下述粘接步驟.

圖1 試樣尺寸（mm）Fig.1 Specimen size(mm)

為了保證既定的目標膠層厚度t，膠層面采用兩根長度8 mm直徑為t的銅絲來控制，銅絲放置方向與打磨方向一致，采用一種速干膠（氰基丙烯酸鹽粘合劑）將銅絲固定在被粘物膠結界面.此做法參照了Yang等的方法[37]，由于銅絲體積相對于整個膠層體積極其微小，且銅絲與金屬棒截面接觸面積相對于整個膠層與金屬棒截面的界面面積極其微小，Yang等證明了銅絲的存在對粘結強度的影響不明顯.另外，為了得到滿足要求的試樣，在試樣加工過程中特采用一些特別加工的帶半圓柱凹槽的模具.這種環氧樹脂膠結劑主要由樹脂和固化劑混合而成，使用時，按1:1的比例快速混合均勻，立即均勻涂布在兩個鋁合金被粘表面，以保持較好的流動性.兩部分被粘物對應部分疊合后放在事先放置好保鮮膜的模具中，防止膠黏劑和模具粘結.然后擠出多余的膠黏劑，扣上另一半模具，并用鉛塊在模具外施加壓力，直到完全固化.固化5 min左右，試樣固化定位，小心移到25℃的恒溫箱中保持24 h以達到完全固化.試樣完全固化后去除保鮮膜，多余的膠用刀具清除干凈，實際測得的平均膠層厚度見表3.由表3可見，實際得到的膠層厚度要比目標膠層厚度略大，特別對于要求比較厚膠層和斜接角度較大的試樣來說，實際厚度和目標厚度差別相對較大，但都能保持在10%的偏差范圍以內.

為了對金屬/環氧/金屬粘結體系粘結界面力學性能開展系統的研究，揭示出系統的力學性能規律，在本文的實驗研究中，我們重點選取了5種不同的代表性膠層厚度 (0.1 mm，0.2 mm，0.3 mm，0.4 mm和0.6 mm)和6種不同的代表性斜接角度(0°，15°，30°，45°，60°和 70°)展開研究，制作了相應的試樣.為了得到可靠的實驗結果，每種類型試樣都制備了三個以上.拉伸實驗在多功能材料試驗機上進行，載荷速度保持為0.1 mm/min，每組實驗重復3次.

表3 實際測得的平均膠層厚度Table 3 The measured average adhesive layer thickness

2 鋁合金/環氧/鋁合金粘結體系的拉伸載荷–位移曲線

2.1 載荷–位移曲線

本文實驗研究膠結體系的強度和斷裂能隨著膠層厚度及粘結角度的變化規律，由于涉及到較多的實驗，我們就每個試樣尺寸選取了三個試樣以檢驗結果的可重復性，實驗發現重復性良好，如圖2所示的代表性結果.這里給出的結果對應膠層厚度t=0.3 mm 的情況.對于每一種斜接角度和每個膠層厚度，實驗都得到了3條力位移曲線，在圖中分別標為1，2，3.由圖可知，鋁合金/環氧/鋁合金體系試樣表現出彈脆性破壞特性.隨著位移的增大，載荷–位移曲線先呈現出線彈性關系，然后簡短的非線性關系，最后載荷增大到最大值試樣突然發生破壞.3個試樣的實驗結果有一定的分散性，失效載荷差別不超過10%.位移差別較大，在20%左右.在接下來的討論中不是采用3個試樣的平均值來代替分散的結果，就是采用的3個試樣中載荷–位移曲線數值大小居中(例如像圖2中的黑色線)的曲線進行分析(由于實驗結果的分散性不是特別突出)，將會在分析過程中給出具體說明.

圖2 典型的鋁合金/環氧/鋁合金試樣的載荷–位移曲線Fig.2 Load-displacement curve of typical specimen of the aluminum alloy/epoxy/aluminum alloy

實驗中得到了大量的載荷–位移曲線，將它們分成兩大類.分別對應給定膠結界面角度改變膠層厚度的結果和給定膠層厚度改變膠結界面角度的結果.圖3給出了給定膠層厚度改變膠結界面角度的結果，這里的膠層厚度為t=0.1 mm.從圖 3 可以看出，不同粘結界面角度的試樣得到的載荷–位移曲線形狀類似，隨著角度的增大失效載荷增大，位移也有所增大.其中45°試樣的載荷–位移曲線斜率最低，0°和70°試樣的力位移曲線斜率比較高.其他膠層厚度0.1～0.6 mm的情況也有類似的變化規律.需要指出的是：圖3對應多種粘結角度情況的實驗結果，為了便于不同情況實驗曲線的比較，我們對每組3個試樣結果（參見圖2）只取了數值大小居中的曲線繪于圖3中，以便于比較不同粘結角度間的結果偏差.

圖3 給定膠層厚度改變膠結界面角度的載荷–位移曲線Fig.3 Load-displacement curves for varying angle of adhesive interface and given adhesive layer thickness

圖4給出了給定膠結界面角度變化膠層厚度情況的載荷–位移曲線，這里對應膠結界面角度為70°的情況.由圖可知，載荷–位移曲線的形狀對膠層厚度變化不敏感，極限載荷值對膠層厚度變化較敏感.厚膠層試樣在破壞之前，有一段隨位移增大載荷基本保持不變的曲線，表現出一定的韌性特性.極限失效載荷和載荷–位移曲線的斜率都隨著膠層厚度的增大有明顯的減小特征，對膠層厚度具有強烈的尺度效應，而極限位移值略有變化.其他膠結界面角度0°到70°的情況的結果有類似的變化特征.同樣需要指出的是：圖4對應多種膠層厚度情況的實驗結果，為了便于不同情況實驗曲線的比較，我們對每組3個試樣結果(參考圖2)只取了數值大小居中的曲線繪于圖4中，以便于比較不同膠層厚度引起的結果偏差.

圖4 給定膠結界面角度改變膠層厚度情況的載荷–位移曲線Fig.4 Load-displacement curves for varying adhesive layer thickness and given angle of adhesive interface

2.2 失效載荷曲線

圖5給出了極限載荷隨膠層界面角度變化的關系，圖中曲線對應不同膠層厚度、3個同樣膠層厚度和膠結角度情況的失效載荷對應的誤差棒也在圖5中畫出.由圖可知，不同厚度膠結層的失效載荷隨粘結界面角度的變化規律相似.當粘結界面角度從0°變化到45°時，失效載荷增加緩慢，但隨著角度繼續增大，失效載荷急劇增大.這與粘接界面面積隨著粘結角度的變化規律類似.膠層厚度越小對應的失效載荷越高，膠層厚度越大對應的失效載荷越低.由圖可知，失效載荷對于膠層厚度具有明顯的尺度效應.

3 鋁合金/環氧/鋁合金體系的膠結界面強度

圖5 失效載荷隨粘結界面角度的變化規律Fig.5 Failure loads vary with the adhesive interface angle

圖3～圖5中給出了鋁合金/環氧/鋁合金膠結體系的載荷–位移曲線隨粘結界面角度和膠層厚度的變化規律以及失效載荷的變化特征.對上述結果可做如下近似分析：首先由于鋁合金的彈性模量遠高于環氧樹脂，因此可近似假設在圖3～圖5的結果中，拉伸位移主要發生在環氧樹脂膠層里；其次由于實驗觀測到膠結體系的拉伸斷裂全部發生在膠層內或膠結界面，我們可以基于圖3～圖5的結果獲得鋁合金/環氧/鋁合金膠結界面的強度變化規律.基于上述分析，膠層內的應力狀態可近似被看作為垂直于界面的單向拉伸和平行于界面的簡單剪切的復合，首先我們可以將前面得到的載荷–位移曲線沿膠結界面方向分解成平均正應力和平均正應變的關系以及平均剪應力和平均剪應變的關系，進而可獲得膠結體系的失效面規律以及膠結界面的斷裂能規律.

參考圖6的粘結界面平均應力及變形幾何示意圖，沿膠結界面的平均正應力和平均剪應力可表示為

其中，F是拉伸載荷，A是橫截面積，θ是斜接角度.沿膠結界面的平均正應變和平均剪應變分別為

其中d為總拉伸位移.

圖6 粘結界面的變形和平均應力的幾何示意圖Fig.6 Sketch figures of deformation and average stresses on the adhesive interface

由圖3及式(1)～式(4)可給出圖7(a)和圖7(b)分別所示的膠結界面的平均正應力和平均正應變關系及平均剪應力和平均剪應變關系，該結果對應環氧樹脂膠層厚度t=0.1 mm的情況，粘結界面角度在0°～70°范圍選取了6種代表性的角度值.圖中結果顯示：平均正應力–平均正應變曲線和平均剪應力–平均剪應變曲線的彈性段斜率相等，都隨著粘結界面角度增大而顯著減小；最大平均正應力隨著粘結界面角度的增大而減小，而最大平均剪應力則隨著粘結界面角度的增大而增大.可見隨著粘結界面角度的增大，鋁合金/環氧/鋁合金體系的界面破壞是從由拉伸主導的破壞過渡到由簡單剪切主導的破壞.其他0.1～0.6 mm膠層厚度的情況具有類似的規律.同樣需要指出的是：圖7對應多種粘結角度情況的實驗結果，為了便于不同情況實驗曲線的比較，我們對每組3個試樣結果只取了數值大小居中的曲線，以便于比較不同粘結角度引起的結果差異.

圖7 給定膠層厚度變化膠結界面角度時的平均應力和平均應變的關系Fig.7 Relations of average stress and average strain for varying angle of adhesive interface and given adhesive layer thickness

同樣可由圖4及式(1)～式(4)給出膠結界面的平均正應力和平均正應變關系及平均剪應力和平均剪應變的關系，對應粘結界面角度為70°、膠層厚度為0.1～0.6 mm的情況.在圖8中，我們給出了粘結界面角度為0°情況的膠結界面的平均應力–平均正應變曲線.由圖8可知，膠結界面的平均正應力–平均正應變曲線的斜率隨著膠層厚度的改變而改變，但除了膠層厚度等于0.1 mm情況，其他情況變化相對較小；最大平均正應力的值隨著膠層厚度的增大而減小.其他粘結界面角度的情況具有類似的規律，即最大平均正應力的值隨著膠層厚度的增大而減小，最大平均剪應力的值隨著膠層厚度的增大而增大.

圖8 粘結界面角度為0°（正粘結）時的平均正應力–平均正應變曲線Fig.8 Relations of average stress and average strain for varying adhesive layer thickness at the adhesive interface angle of 0°

由圖7和圖8給出的膠結界面的平均正應力–平均正應變關系和平均剪應力–平均剪應變關系，我們進一步可以獲得對應的膠結體系的最大正應力和最大剪應力的強度破壞面，如圖9所示.由圖9可知，膠結體系的強度破壞面與膠層厚度密切相關，具有較強的尺度敏感性.由圖可知，對于給定的膠層厚度，不同粘結界面角度情況對應的平均失效應力近似在一圓弧上，其半徑隨著膠層厚度增大而減小.換句話說，同樣膠層厚度的粘結體系的試樣，失效時膠層面上單位面積承受的載荷近似相等，這為金屬/環氧樹脂/金屬粘結體系的強度預測，提供了可方便應用的強度破壞準則.通過部分實驗結果，就可推廣到預測一般粘結角度情況的強度破壞載荷預測.大多數的實驗點在圓弧附近，少數點因為實驗誤差有一定的偏差.為了比較，我們也將同樣材料的單搭接板試樣的強度點[37]（近似對應粘結界面角度為90°的情形）畫在圖9中，有趣的是單搭接板試樣的強度點[37]也近似在這個圓弧上.這表明不同實驗模型在某些情況下有一定的關聯性，單搭接試樣在某種程度上可以認為是斜接試樣的極限情況(粘結界面角度趨向90°).

圖9 粘結界面的強度破壞面Fig.9 Strength failure surface of adhesive interface

由圖9可知，膠層厚度0.1 mm的情況對應的圓弧半徑比其他幾種膠層厚度情況對應的圓弧半徑明顯增大，說明膠層厚度很小的時候，強度有急劇上升的趨勢.通常環氧樹脂標準試樣的最大拉伸和剪切強度分別為 6.93 MPa 和 9.19 MPa[37]，而本文研究的環氧樹脂膠結界面的極限拉伸和剪切強度分別達到了上述強度的2～5倍.由于受金屬被粘物的約束作用，膠層在鋁合金之間發揮出了比其本身更強的承載能力.其物理機制需要從跨尺度力學理論進行分析，對此我們將在另文中展開系統深入的研究.

4 鋁合金/環氧/鋁合金體系之膠結界面斷裂能的表征

為了表征粘結界面的斷裂能，在彈性范圍內給出斷裂韌性的表達式如下

其中，G和E分別是膠層剪切模量和楊氏模量，分別是平均正應力和平均剪應力的彈性極限值，可由圖7～圖9給出，結果示于圖10.由圖10可知，金屬/環氧/金屬體系的粘結界面的斷裂能隨著粘結界面角度的增大而增大，隨著膠層厚度的增大而增大.

圖10 粘結界面的斷裂能Fig.10 Fracture energy of adhesive interface

為了比較，我們也可由載荷–位移曲線(見圖3和圖4)下的彈性部分的面積(總的彈性應變能)除以膠層面積直接求得鋁合金/環氧/鋁合金粘結體系的能量釋放率w=W/S，其中W是系統的彈性總能量，S是膠層的面積.結果示于圖11.由圖11可看出，體系的能量釋放率同樣隨著膠層厚度的增大而增大，隨著粘結界面角度的增大而近似呈增大關系.這里需要指出的是，對于膠層厚度很薄的情況，如t=0.1 mm情形，界面強度很高，在確定載荷–位移曲線下彈性段的面積時，難以精確地辨別出彈性極限點的位置，以此將帶來一定的偏差并導致結果波動，如圖11結果所示.比較圖11和圖10可以看出，單位面積界面破壞所需要的能量是總能量釋放率的5%左右，可見有95%左右的能量釋放率將被消耗在含孔的金屬棒區域內以及膠層的非彈性變形過程，這點還需要開展更深入的研究和探討.

圖11 膠結體系的能量釋放率Fig.11 Energy release rate of metal/epoxy adhesive system

值得指出的是，實驗結果顯示出失效強度和界面斷裂能當膠層厚度在毫米以下表現出尺度效應，特別是當膠層厚度接近百微米時，尺度效應極其強烈.引起尺度效應的主要原因是當膠層厚度很小時膠層內的三軸應力急劇增大導致界面附近產生高的應變梯度的原因.對于失效強度和界面斷裂能表現出尺度效應過去有不少文獻有討論，例如文獻[38]針對薄膜撕裂問題膠層厚度尺度效應所展開的討論.

5 結論及討論

本文系統地開展了金屬/環氧/金屬粘結體系的強韌機理及失效行為實驗研究，針對鋁合金圓棒與鋁合金圓棒通過環氧樹脂膠層的各種斜截面粘結和膠層厚度，實驗研究了其拉伸變形和失效特征以及界面失效載荷對膠層厚度和界面傾斜角的依賴關系；通過引入膠結界面平均正應力、平均剪應力、平均正應變、平均剪應變等概念，獲得了對界面失效強度的測量，獲得了界面強度與界面粘結角度以及與膠層厚度的關系，進而獲得了鋁合金/環氧膠層/鋁合金體系的強度失效面以及膠結界面的斷裂能和膠結體系的能量釋放率.通過本文系統的研究和分析，獲得了如下主要結論.

(1)鋁合金/環氧膠層/鋁合金體系的拉伸失效總體呈彈脆性破壞特征，失效往往表現為膠層粘結界面的斷裂，失效載荷及失效強度在膠層厚度為百微米量級表現出強烈的尺度效應：粘結強度隨著膠層厚度的減小而顯著增大；與此同時，粘結載荷也密切地依賴于界面粘結角度.

(2)環氧樹脂膠層界面的拉伸粘結強度隨著粘結界面傾斜角度的增加而減小，而剪切粘結強度則隨著粘結界面傾斜角度的增加而增加；拉伸粘結強度點和剪切粘結強度點位于強度破壞面的同一圓上.

(3)鋁合金/環氧膠層/鋁合金體系的粘結界面斷裂能在膠層厚度為百微米的尺度表現出強烈的尺度效應：隨著膠層厚度的增大界面斷裂能明顯增大；與此同時，隨著粘結界面角度的增大，界面斷裂能也顯著增大.

(4)鋁合金/環氧膠層/鋁合金粘結體系破壞時的粘結界面能僅占體系的總體能量釋放率的5%，可見體系失效過程中大部分能量通過金屬棒接頭變形和膠結層材料的非彈性變形破壞而被釋放掉.

上述研究結果對深入認識金屬膠結體系的強韌性能和失效機制提供了科學依據，對金屬粘結體系的優化設計和性能評判具有重要指導意義.

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EXPERIMENTAL INVESTIGATIONS OF STRENGTH, TOUGHNESS AND FAILURE MECHANISM OF THE METAL/EPOXY/METAL ADHESIVE SYSTEM1)

Li Jingchuan*,**,2)Liang Lihong*Liu Xiaoming*Ma Hansong*Song Jingru*Wei Yueguang?,3)
*(LNM,Institute of Mechanics,Chinese Academy of Sciences,Beijing100190,China)
?(Department of Mechanics,College of Engineering,Peking University,Beijing100871,China)
**(College of Engineering Science,University of Chinese Academy of Sciences,Beijing100049,China)

In the present research,we carry out a systematical experimental investigations on the strength,toughness and failure mechanism of the metal/epoxy/metal adhesive system.For the case of the aluminum alloy cylinder/epoxy/aluminum alloy cylinder adhesive system,we measure the tensile deformation and failure behaviors,including the dependence of the failure loading on the adhesive layer thickness and adhesive interfacial inclined angle.Through introducing a series of definitions,such as average normal stress,average shear stress,average normal strain and average shear strain,along the adhesive interface,we realize the measurements on interfacial failure strength,and obtain the relationship between the interfacial strength and the interfacial adhesive angle as well as adhesive layer thickness,and we further obtain the failure strength surface,adhesive interfacial fracture energy,as well as the energy release rate for the binding system of the aluminum alloy/epoxy adhesive/aluminum alloy.The obtained results provide a scientific basis for deeply understanding the strength and toughness properties as well as the failure mechanism of the metal adhesive system,and have an important guiding for the optimization design and property evolution of the metal adhesive system.Through present systematic research and analysis,we come to the following conclusions:The tensile failure of the aluminum alloy/epoxy/aluminum alloy adhesive system globally displays the brittle-elastically failure behavior.Failure mode is the fracture along the adhesive interface of adhesive layer.Both failure strength and interfacial fracture energy display the strong size effect when adhesive layer thickness is at hundred micron level.Interfacial adhesive strength increases obviously as adhesive thickness decreases.At critical state the average normal stress and average shear stress are approximately situated at a same circle on the strength failure surface.The interfacial fracture energy decreases obviously as adhesive layer thickness decreases.Both interfacial failure strength and interfacial fracture energy are closely depended on the interfacial adhesive angle.

metal bind,adhesive layer thickness,failure load,failure strength,interfacial energy

TG49

A

10.6052/0459-1879-17-321

2017–09–22 收稿,2017–10–27 錄用,2017–10–27 網絡版發表.

1)國家自然科學基金資助項目(11432014,11672301).

2)李景傳,博士,主要研究方向:材料力學行為.E-mail:lijingchuan@lnm.imech.ac.cn

3)魏悅廣,教授,主要研究方向:跨尺度力學.E-mail:weiyg@pku.edu.cn

李景傳,梁立紅,劉小明,馬寒松,宋晶如,魏悅廣.金屬/環氧/金屬粘結體系的強韌和失效機制實驗研究.力學學報,2017,49(6):1213-1222

Li Jingchuan,Liang Lihong,Liu Xiaoming,Ma Hansong,Song Jingru,Wei Yueguang.Experimental investigations of strength,toughness and failure mechanism of the metal/epoxy/metal adhesive system.Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics,2017,49(6):1213-1222