異種材料單搭接接頭力學(xué)性能

金希紅， 何宗鍇， 夏旭光， 魏楊， 王鍇

(1.大功率交流傳動電力機車系統(tǒng)集成國家重點實驗室， 株洲 412001； 2.湖南大學(xué)汽車車身先進設(shè)計制造國家重點實驗室， 長沙 410082)

隨著輕量化技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)代車身材料朝著多種輕質(zhì)高強材料混合使用的趨勢發(fā)展;而連接是構(gòu)成完整車身結(jié)構(gòu)的必要環(huán)節(jié)[1]，對于保證結(jié)構(gòu)整體的強度和剛度有著重要意義。因此，這使得異種材料之間的連接問題備受關(guān)注，尤其是在新型輕量化材料碳纖維增強復(fù)合材料和傳統(tǒng)金屬材料之間，其連接機制成為學(xué)者們的研究熱點。

目前，復(fù)合材料與金屬材料之間的連接主要有機械連接和膠黏連接[2]。機械連接中，鉚接因具有貼合效果好、連接強度高等優(yōu)點，是復(fù)合材料連接的主要方式[3]。王允良等[4]研究了多排鉚釘鉚接寬板的力學(xué)性能，分析了多排鉚釘上各鉚釘?shù)某休d規(guī)律，發(fā)現(xiàn)各鉚釘?shù)尼攤鬏d荷不同。因此，為實現(xiàn)連接區(qū)域的輕量化設(shè)計，在工程中需要根據(jù)連接處的實際需求來選擇鉚接的工藝參數(shù)，減小連接處的應(yīng)力集中，以提高接頭的力學(xué)性能[5]。

另一方面，由于開孔將引起應(yīng)力集中，造成復(fù)合材料不連續(xù)性，對基材本身的力學(xué)性能有所損害[6]；因此，膠黏連接在復(fù)合材料的連接中有不可替代的作用[7]。Budhe等[8]對復(fù)合材料的膠黏連接做了系統(tǒng)的綜述，并指出針對特定應(yīng)用場景的膠黏劑選用問題非常復(fù)雜和困難，需考慮多方面因素如基板材料、固化溫度、服役工況和環(huán)境、成本等，耐沖擊的高韌性膠黏劑是一大發(fā)展趨勢，尤其對于交通運輸行業(yè)而言。

然而，膠接質(zhì)量控制較困難，黏接界面性能易受環(huán)境因素的影響[9]；因此相較于機械連接，膠黏連接可靠性較差。將膠接和鉚接綜合的膠鉚混合連接可以綜合兩者的優(yōu)點，實現(xiàn)優(yōu)缺點互補，提高復(fù)合材料的連接性能。劉浩壘[10]對車用高強鋼-碳纖維復(fù)合材料(carbon fibre reinforced plastics，CFRP)膠鉚混合連接的結(jié)構(gòu)進行了仿真研究，建立的相應(yīng)膠鉚連接結(jié)構(gòu)仿真方法指導(dǎo)了客車車身設(shè)計。Chowdhury等[11]指出鉚釘?shù)拇嬖诳梢詼p緩疲勞裂紋在膠層中的擴展，有效增加了接頭的使用壽命。Sun等[12]研究了膠鉚混合接頭的交互作用并表示，鉚釘和膠黏劑之間的相互作用可以起到積極的效果，膠鉚混合接頭在工業(yè)上具有廣闊的應(yīng)用前景。

通過上述情況可以看出，近年來在膠接、鉚接和膠鉚連接方面均有相關(guān)工作正在開展。為更好地理解膠鉚接頭中的交互作用，現(xiàn)以膠黏劑和鉚釘材料為變量，分別對膠接、鉚接和膠鉚接頭開展系列準靜態(tài)力學(xué)拉伸試驗，分析三類接頭的載荷-位移曲線特點，結(jié)合掃描電鏡研究鉚接方向影響，并通過對比分析多種膠鉚組合下的交互作用情況，總結(jié)膠鉚接頭的交互規(guī)律。

1 試件制備與試驗方案

1.1 試驗材料

采用的基板材料分別為5182鋁合金和碳纖維編織復(fù)合材料，基板厚度均為2 mm。其中，碳纖維編織復(fù)合材料板是由平紋編織的碳纖維T300-300/環(huán)氧樹脂預(yù)浸料制作而成，鋪層方式為[(0°/90°)]8，即0°和90°交替鋪層8次。連接材料一共涉及3種膠黏劑材料(Araldite 2015、DP 8010和DP 460)和3種鉚釘材料(1A97鋁合金鉚釘、6061鋁合金鉚釘和304不銹鋼鋼釘)。

1.2 試件尺寸和制備

單搭接膠接、鉚接和膠鉚接頭試件的尺寸如圖1所示。

膠鉚接頭的制備過程包含了膠接和鉚接的基本操作，該工藝流程如下。

(1)表面處理。使用丙酮擦洗基板，去除表面污漬；使用180目砂紙對搭接區(qū)域進行打磨，打磨方向垂直于載荷拉伸方向，如圖2所示，以增加基板表面粗糙度和基板與膠黏劑的有效接觸面積；打磨后再次使用丙酮對打磨好的搭接區(qū)域進行擦洗。

(2)涂膠。將膠黏劑與膠槍、混膠管組合，如圖2所示；按壓膠槍，將擠出的前幾滴膠黏劑棄除，將穩(wěn)定后的膠黏劑擠到基板搭接區(qū)域表面，用小平板涂覆均勻。

(3)鉚接。在已經(jīng)均勻涂覆膠黏劑的接頭基板中插入鉚釘，進行壓鉚操作；壓鉚在萬能試驗機Instron 5985(Instron，美國)機器上進行，壓縮速度設(shè)定為2 mm/min，以保證鉚釘變形的均勻性；鉚釘桿初始直徑D0為5 mm，桿長h0為10 mm，鉚釘孔直徑為5.1 mm,取D/D0=1.5(D為鉚釘成型后墩頭直徑)，根據(jù)體積不變原理可計算得到理論壓縮位移為3.4 mm，根據(jù)預(yù)實驗結(jié)果對壓縮位移進行修正，最終實際壓縮位移取為3.6 mm。

(4)熱壓固化。將試件放置在自制夾具中，以保證試件尺寸，如圖2所示。膠接部分經(jīng)熱壓機固化成型，具體的熱壓參數(shù)如表1所示。

(5)去除膠瘤。待熱壓結(jié)束后，將接頭試件取出，用美工刀去除接頭表面的溢膠。

圖1 單搭接膠接、鉚接和膠鉚接頭試件的尺寸示意圖Fig.1 Dimension diagram of single lap adhesive joint, riveted joint and hybrid joint

1為基板打磨與清洗；2為涂膠；3為壓鉚；4為自制模具；5為接頭成品圖2 連接接頭制備工藝流程Fig.2 Preparation processes of joints

表1 熱壓固化具體參數(shù)Table 1 Detailed parameters of hot press curing

1.3 試驗方案

一共包含三類試驗，分別為3種膠黏劑連接的膠接接頭、3種鉚釘連接的鉚接接頭以及4種膠鉚混合接頭的準靜態(tài)拉伸實驗。首先，進行了膠接接頭和鉚接接頭的測試，分析其力學(xué)性能后，分別選出性能最好和性能最差的膠接接頭和鉚接接頭；其次，將其膠黏劑和鉚釘兩兩組合后，進行4種膠鉚接頭的性能測試。涉及鉚接的接頭，將對鉚接方向進行研究，即在試件制備時，會分別從鋁板和碳板側(cè)插入鉚釘，以研究不同鉚接方向?qū)Ξ惙N材料鉚接接頭性能的影響。

涉及的所有試驗分組與編號匯總于表2中，重復(fù)試驗次數(shù)均為3次。其中，膠接接頭的命名規(guī)則為AD-1/2/3，1/2/3表示膠黏劑Araldite 2015/DP 460/DP 8010；鉚接接頭的命名規(guī)則為RI-Al/CFRP-1/2/3，Al/CFRP表示鉚釘從鋁板側(cè)/碳板側(cè)插入，1/2/3表示1A97鋁合金/6061鋁合金/304不銹鋼鉚釘；膠鉚接頭的命名規(guī)則為HY-Al/CFRP-1/2/3/4，1/2/3/4表示膠黏劑和鉚釘材料的4種不同組合。

試驗通過Instron 5985萬能試驗機的準靜態(tài)拉伸模塊在常溫下進行，該試驗機的最大量程為150 kN。實驗中機器采用位移控制模式，準靜態(tài)拉伸速度設(shè)定為1.3 mm/min。通過準靜態(tài)拉伸實驗對異種材料單搭接膠接接頭的力學(xué)性能進行研究。

表2 試驗分組與編號情況Table 2 Experimental details of grouping and numbering

2 結(jié)果和討論

2.1 3種連接方式下接頭力學(xué)性能分析

圖3為3種連接方式下，異種材料單搭接接頭典型的力位移曲線。圖3(a)展示了3種膠黏劑制作成的異種材料單搭接膠接接頭的力-位移曲線。用不同膠黏劑連接而成的膠接接頭展現(xiàn)出相同的曲線趨勢，整個斷裂過程分為兩個階段：階段Ⅰ接頭的承載能力線性增加至峰值載荷，階段Ⅱ接頭發(fā)生瞬間的斷裂。從整體上看，膠接接頭的斷裂過程呈現(xiàn)脆性的特征。

對于連接而言，其希望達到的效果是保證連接處的可靠性，即需要有較高的承載能力保證連接處不發(fā)生斷裂失效；同時，接頭也應(yīng)具有一定的剛度，使得連接處有較好的抗變形能力。從圖3(a)可以看出，用DP 460制備的膠接接頭其峰值載荷最高，用Araldite 2015制備的膠接接頭其峰值載荷最低。因此，在膠鉚混合接頭的研究中，選擇的兩種膠黏劑材料分別為DP 460和Araldite 2015。

圖3(b)展示了3種鉚釘制備的異種材料單搭接鉚接接頭的力-位移曲線，可以發(fā)現(xiàn)，單搭接鉚接接頭的失效過程大致都可以分為3個階段：階段Ⅰ接頭的承載能力線性上升，階段Ⅱ接頭表現(xiàn)出較為明顯的塑性變形特征，階段Ⅲ接頭發(fā)生瞬間的斷裂。從整體上看，鉚接接頭的斷裂過程呈現(xiàn)韌性的特征，其失效位移均遠大于膠接接頭。在3種鉚釘材料中，一方面，6061鋁合金鉚釘制備的鉚接接頭其力學(xué)性能最優(yōu)，其峰值承載能力均遠高于其余兩種材料制備的鉚接接頭；另一方面，1A97鋁合金鉚釘制備的鉚接接頭其力學(xué)性能最差。因此，在膠鉚混合接頭的研究中，選擇的兩種鉚釘材料分別為6061以及1A97鋁合金鉚釘。

圖3(c)展示了上述兩種膠黏劑和兩種鉚釘材

圖3 異種材料單搭接接頭載荷-位移曲線Fig.3 Force-displacement curves of single lap joint of different materials

料兩兩組合下，制備的異種材料單搭接膠鉚混合接頭的力-位移曲線，可以發(fā)現(xiàn)，單搭接膠鉚混合接頭的失效過程大致可以分為5個階段：階段I接頭的承載能力線性上升；階段Ⅱ接頭表現(xiàn)出一定的塑性變形特征，其表現(xiàn)的塑性變形程度與膠黏劑和鉚釘?shù)慕M合有關(guān)，即膠鉚交互作用；階段Ⅲ接頭出現(xiàn)第一次失效，具體為膠黏劑的失效；階段IV接頭繼續(xù)呈現(xiàn)塑性變形特征；階段V，鉚釘失效，接頭發(fā)生完全的斷裂失效。

在4種膠鉚組合中，DP 460膠黏劑和6061鋁合金鉚釘?shù)摹皬姀姟苯M合下的膠鉚接頭的承載能力最高，Araldite 2015膠黏劑和1A97鋁合金鉚釘?shù)摹叭跞酢苯M合下的膠鉚接頭的承載能力最低。但是，通過2.3節(jié)的交互作用分析可以知道，并非“強強”組合的膠鉚接頭的交互作用最明顯。

另外，值得指出的是，一般而言，用304不銹鋼鉚釘制備的鉚接接頭的力學(xué)性能應(yīng)當(dāng)優(yōu)于用6061鋁合金鉚釘制備的鉚接接頭；但在本次實驗中6061鋁合金鉚釘制備的鉚接接頭性能較優(yōu)。一方面，通過觀察接頭的失效模式可以發(fā)現(xiàn)，6061鉚釘?shù)你T接接頭其碳板的利用率較高，碳板的鉚釘孔附近出現(xiàn)了明顯的擠壓破壞[2]，如圖4所示。另一方面，這說明對結(jié)構(gòu)件的連接接頭而言，并非各單一材料的強度越高，接頭結(jié)構(gòu)的強度就越高，只有各單一材料間材料強度相互適應(yīng)，才能組成最優(yōu)的接頭結(jié)構(gòu)；這一現(xiàn)象在后續(xù)的膠鉚混合接頭的交互作用分析中也會看到。

圖4 6061鋁合金和304不銹鋼鉚釘鉚接接頭典型的失效模式Fig.4 Typical failure modes of rivet joints with 6061 aluminum and 304 steel rivets

2.2 鉚接方向?qū)︺T接/膠鉚接頭力學(xué)性能的影響

從圖3(b)和圖3(c)可以發(fā)現(xiàn)，在基板材料和鉚釘材料相同的情況下，在制備接頭時，鉚釘從不同側(cè)插入制備的鉚接或膠鉚接頭，其力學(xué)性能會發(fā)生變化。表3以常用的力學(xué)指標(峰值載荷和失效位移)，對上述接頭的性能進行了對比；變化率均是以鉚釘從鋁板側(cè)插入得到的接頭力學(xué)性能為基準，以對比鉚釘從碳板側(cè)插入得到的接頭力學(xué)性能的變化情況。

通過表3數(shù)據(jù)的對比分析可知，整體而言，不論是對于鉚接接頭還是膠鉚混合接頭，鉚釘從碳板側(cè)插入制備的連接接頭，其力學(xué)性能會優(yōu)于鉚釘從鋁板側(cè)插入制備的連接接頭。這主要是因為，當(dāng)鉚釘從鋁板側(cè)插入時，碳板側(cè)的釘桿在壓鉚過程中形成墩頭，墩頭的這一成型過程會對鉚釘孔周圍的碳板造成擠壓，影響了基板的力學(xué)性能，從而降低了接頭的力學(xué)性能。圖5所示的掃描電鏡圖很好地說明了這一點。可以看出，當(dāng)鉚釘從鋁板側(cè)插入時，宏觀上會在碳板表面擠壓形成環(huán)形凹槽，微觀上會使得孔周邊的樹脂發(fā)生碎裂，并使得纖維發(fā)生彎曲甚至斷裂。

因此，在工程實際中，涉及纖維增強復(fù)合材料板材與金屬板材的鉚接時，應(yīng)盡量使復(fù)合材料板材位于固定端，金屬板材位于鉚釘?shù)某尚投耍垣@得更好的連接效果。

表3 鉚接方向?qū)︺T接和膠鉚接頭力學(xué)性能的影響Table 3 The effect of riveting direction on mechanical properties of riveted and hybrid joints

2.3 膠鉚接頭的交互作用分析

為分析膠鉚混合接頭是否存在正的交互作用，即膠鉚混合接頭表現(xiàn)的力學(xué)性能是否優(yōu)于膠接和鉚接接頭二者之和，以及分析膠鉚接頭的交互機理以更好地指導(dǎo)工程實際，圖6展示了單一連接方式和對應(yīng)的混合連接方式下的接頭的載荷-位移曲線。其中，綠色虛線代表將膠接和鉚接這兩種單一連接方式通過數(shù)據(jù)線性疊加的處理方式[13]，得到的新的載荷-位移曲線，其余編號含義和表2中保持一致。用灰色陰影線和箭頭表示負交互作用，用橘黃色陰影線和箭頭表示正交互作用，僅對較為明顯的交互作用進行了標識。另外，在膠鉚混合接頭的載荷-位移曲線上，分別標識了A～F6個黑點。其中，AB表示階段Ⅰ，BC表示階段Ⅱ，CD表示階段Ⅲ，DE表示階段Ⅳ，EF表示階段Ⅴ；部分曲線階段Ⅰ和Ⅱ不明顯，不做過細區(qū)分，則點B和C重合，如圖6(a)所示。

圖5 不同鉚接方向下碳板孔洞附近的微觀形貌圖Fig.5 Microscopic morphological of the rivet hole near the outside of the CFRP substrate with different riveting direction

從整體上看，膠鉚混合接頭的交互作用可以分為4個部分，即階段Ⅰ的結(jié)構(gòu)初始剛度部分，階段Ⅱ的整體塑性變形部分，階段Ⅳ的鉚釘單獨承載部分以及階段Ⅴ的整體結(jié)構(gòu)失效部分。在圖6中，階段Ⅰ的初始剛度部分幾乎不存在正交互作用，一般地，該部分表現(xiàn)為較弱的負交互作用。

階段Ⅱ整體塑性變形部分的交互作用普遍表現(xiàn)為正交互作用，且與膠黏劑和鉚釘?shù)拇钆溆嘘P(guān)系。強膠弱鉚(DP 460+1A97鉚釘)組合表現(xiàn)出最強的正交互作用，強膠強鉚(DP 460+6061鉚釘)組合次之，弱膠強鉚(Araldite 2015+6061鉚釘)組合再次之，弱膠弱鉚(Araldite 2015+1A97鉚釘)組合表現(xiàn)出最弱的正交互作用。

階段Ⅳ鉚釘單獨承載部分的交互作用普遍表現(xiàn)為正交互作用，即在膠黏劑失效后，鉚釘在膠鉚混合接頭中所能承受的載荷較單獨的鉚接接頭更大，但其提升幅度相對較小。

階段Ⅴ整體結(jié)構(gòu)失效部分的交互作用普遍表現(xiàn)為負交互作用，即在膠鉚混合接頭中，結(jié)構(gòu)整體的失效位移(以鉚釘貢獻為主)較單獨的鉚接接頭更小，且該部分負交互作用相對明顯，如圖6(d)、圖6(h)中灰色陰影線所示。但是，值得指出的是，在強膠弱鉚(DP 460+1A97鉚釘)組合中，其在該部分也繼續(xù)表現(xiàn)為正交互作用，如圖6(e)、圖6(f)所示。

另一方面，圖6(a)～圖6(d)為弱膠(Araldite 2015)作為膠黏劑的情況，圖6(e)～圖6(h)為強膠(DP 460)作為膠黏劑的情況，通過對比可以發(fā)現(xiàn)，強膠帶來的交互作用更為可觀。這主要與膠鉚接頭的失效過程有關(guān)系。通過前面的分析可以知道，膠鉚接頭先發(fā)生膠黏劑的失效，再發(fā)生鉚釘?shù)氖В虼艘@得更好的正交互作用，則需要補強在承載中首當(dāng)其沖的膠黏劑。另外，在交互作用方面，再次看到了并非“強強”組合就會帶來最大的材料利用率和最強的正交互作用。

此外，鉚接方向?qū)换プ饔靡泊嬖谝欢ㄓ绊憽Ｅc鉚釘從鋁板側(cè)插入相比，鉚釘從碳板側(cè)插入時，其會帶來更為可觀的正交互作用，有益于更好地實現(xiàn)膠鉚混合接頭“1+1>2”的效果，如圖6(e)和圖6(f)所示。

圖6 膠鉚混合接頭交互作用分析Fig.6 Interactive effect analysis of hybrid joints

3 結(jié)論

首先對3種膠黏劑和3種鉚釘連接的膠接接頭和鉚接接頭進行了準靜態(tài)力學(xué)性能研究，通過不同的組合方式研究了膠鉚混合接頭的力學(xué)性能和交互作用，并研究了鉚接方向?qū)︺T接接頭和膠鉚接頭性能的影響。通過上述研究可以得到以下結(jié)論。

(1)不同膠黏劑連接的膠接接頭載荷位移曲線變化趨勢相似，接頭承載能力先線性增加后發(fā)生瞬間斷裂失效，其斷裂行為呈脆性特征。相比于膠接接頭，鉚接接頭的斷裂行為呈韌性特征；膠鉚混合接頭的斷裂行為包含了膠接和鉚接接頭的主要特征，且膠接部分先失效。

(2)鉚接方向?qū)宇^的力學(xué)性能有重要影響。對于纖維增強復(fù)合材料與金屬材料的異種材料連接而言，鉚釘從碳板側(cè)插入可以有效提升連接性能。

(3)膠鉚混合接頭的交互作用可分為4個部分，接頭初始剛度和最終失效位移一般呈負交互作用，其間的整體塑性變形和鉚釘單獨承載呈正交互作用。

(4)對鉚接而言，并非鉚釘越強其接頭越強，各組分間需有效匹配才能實現(xiàn)較理想的變形模式和結(jié)構(gòu)性能；對膠鉚而言，并非“強強”組合其交互作用越顯著，DP 460和1A97鉚釘?shù)膹娔z弱鉚組合其材料利用率最高，1+1>2效果最顯著。