环境条件对粘接接头疲劳行为影响的试验研究

     近年来，粘接这一连接方式因其优势得到广泛应用，其耐久性也随之受到关注。粘接接头的疲劳性能将同时受到载荷工况与环境工况等因素的影响，疲劳失效机制十分复杂。为此，波尔图大学Fernando Castro Sousa等学者基于试验和模拟方法，对单搭接接头（SLJ）在不同环境条件下的疲劳强度与失效模式进行了研究，为粘接接头失效模式转变及其对环境的依赖性提供了有价值的见解。

      本文分别进行了室温（RC）、50°C（HT）和湿热（HAC）条件下的静态与疲劳试验与数值模拟研究。静态加载的典型力-位移曲线如图1所示，高温和湿热条件下SLJ的失效载荷都有所下降。高温条件下粘接剂刚度降低，如图2所示，应力集中现象减弱，因此失效载荷降低的同时表现出较大的失效位移。湿热条件下SLJ的失效位移则有所减小，这可能与水进入粘接界面使粘接界面强度降低有关。

图1 不同环境条件下力-位移曲线

图2 在室温与高温条件下单搭接接头中粘接剂的主应力分布

      疲劳试验得到的力-疲劳寿命曲线如图3所示，最大载荷Fmax与疲劳寿命N满足幂率关系，当疲劳载荷较高时，NRC>NHAC>NHT，与静态接头强度大小顺序一致。对于较低的疲劳载荷，高温条件下接头强度降低的同时应力集中现象不明显且抗裂纹缺陷性较强；而对于湿热条件下的SLJ，由于试验时间过长，接头湿度降低，因此不同环境条件下的SLJ的疲劳寿命接近。

图3 不同环境条件下载荷-疲劳寿命曲线

      不同环境条件下的典型断裂面如图4和图5所示，室温与高温条件下SLJ在静态与疲劳试验中存在内聚破坏到混合破坏的失效模式转变；而湿热条件下则都表现为混合破坏模式，这与湿热条件下界面强度降低有关，静态实验中脱粘位置位于接头两侧。进一步使用软件处理不同载荷水平下SLJ的断裂面图片，脱粘面积随疲劳载荷的增加而减小，如图6所示。有限元模拟给出不同载荷水平下SLJ中粘接剂的应力分布结果，如图7所示。较低载荷水平下，应力分布范围较小，疲劳损伤集中于粘接前缘粘接剂与粘接界面，裂纹趋于沿粘接界面扩展，界面脱粘面积占总粘接面积比例增加。

图4 RC下静态和疲劳载荷下单搭接接头的典型断裂面

图5 HT和HAC下静态和疲劳载荷下单搭接接头的典型断裂面

图6 SLJ断裂面的界面失效面积占比随疲劳载荷的变化

图7 不同载荷水平下单搭接接头中粘接剂的主应力分布

      综上所述，温度和湿度都会降低接头的疲劳寿命。疲劳工况下失效模式将从内聚破坏转变为内聚-界面混合破坏，随着载荷水平的降低，脱粘面积增加。这一研究重点讨论了混合失效模式下脱粘面积占比随疲劳载荷的变化，并基于有限元模拟分析了这一现象的物理机理，对改进接头设计并提高不同环境条件下的接头的抗疲劳性能有重要意义。

      相关论文以“Experimental study on the influence of environmental conditions on the fatigue behaviour of adhesive joints"为题发表在《International Journal of Fatigue》。