環境條件對粘接接頭疲勞行為影響的試驗研究

     近年來，粘接這一連接方式因其優勢得到廣泛應用，其耐久性也隨之受到關注。粘接接頭的疲勞性能將同時受到載荷工況與環境工況等因素的影響，疲勞失效機制十分復雜。為此，波爾圖大學Fernando Castro Sousa等學者基于試驗和模擬方法，對單搭接接頭（SLJ）在不同環境條件下的疲勞強度與失效模式進行了研究，為粘接接頭失效模式轉變及其對環境的依賴性提供了有價值的見解。

      本文分別進行了室溫（RC）、50°C（HT）和濕熱（HAC）條件下的靜態與疲勞試驗與數值模擬研究。靜態加載的典型力-位移曲線如圖1所示，高溫和濕熱條件下SLJ的失效載荷都有所下降。高溫條件下粘接劑剛度降低，如圖2所示，應力集中現象減弱，因此失效載荷降低的同時表現出較大的失效位移。濕熱條件下SLJ的失效位移則有所減小，這可能與水進入粘接界面使粘接界面強度降低有關。

圖1 不同環境條件下力-位移曲線

圖2 在室溫與高溫條件下單搭接接頭中粘接劑的主應力分布

      疲勞試驗得到的力-疲勞壽命曲線如圖3所示，最大載荷Fmax與疲勞壽命N滿足冪率關系，當疲勞載荷較高時，NRC>NHAC>NHT，與靜態接頭強度大小順序一致。對于較低的疲勞載荷，高溫條件下接頭強度降低的同時應力集中現象不明顯且抗裂紋缺陷性較強；而對于濕熱條件下的SLJ，由于試驗時間過長，接頭濕度降低，因此不同環境條件下的SLJ的疲勞壽命接近。

圖3 不同環境條件下載荷-疲勞壽命曲線

      不同環境條件下的典型斷裂面如圖4和圖5所示，室溫與高溫條件下SLJ在靜態與疲勞試驗中存在內聚破壞到混合破壞的失效模式轉變；而濕熱條件下則都表現為混合破壞模式，這與濕熱條件下界面強度降低有關，靜態實驗中脫粘位置位于接頭兩側。進一步使用軟件處理不同載荷水平下SLJ的斷裂面圖片，脫粘面積隨疲勞載荷的增加而減小，如圖6所示。有限元模擬給出不同載荷水平下SLJ中粘接劑的應力分布結果，如圖7所示。較低載荷水平下，應力分布范圍較小，疲勞損傷集中于粘接前緣粘接劑與粘接界面，裂紋趨于沿粘接界面擴展，界面脫粘面積占總粘接面積比例增加。

圖4 RC下靜態和疲勞載荷下單搭接接頭的典型斷裂面

圖5 HT和HAC下靜態和疲勞載荷下單搭接接頭的典型斷裂面

圖6 SLJ斷裂面的界面失效面積占比隨疲勞載荷的變化

圖7 不同載荷水平下單搭接接頭中粘接劑的主應力分布

      綜上所述，溫度和濕度都會降低接頭的疲勞壽命。疲勞工況下失效模式將從內聚破壞轉變為內聚-界面混合破壞，隨著載荷水平的降低，脫粘面積增加。這一研究重點討論了混合失效模式下脫粘面積占比隨疲勞載荷的變化，并基于有限元模擬分析了這一現象的物理機理，對改進接頭設計并提高不同環境條件下的接頭的抗疲勞性能有重要意義。

      相關論文以“Experimental study on the influence of environmental conditions on the fatigue behaviour of adhesive joints"為題發表在《International Journal of Fatigue》。