近年來，粘接這一連接方式因其優(yōu)勢得到廣泛應(yīng)用，其耐久性也隨之受到關(guān)注。粘接接頭的疲勞性能將同時(shí)受到載荷工況與環(huán)境工況等因素的影響，疲勞失效機(jī)制十分復(fù)雜。為此，波爾圖大學(xué)Fernando Castro Sousa等學(xué)者基于試驗(yàn)和模擬方法，對單搭接接頭（SLJ）在不同環(huán)境條件下的疲勞強(qiáng)度與失效模式進(jìn)行了研究，為粘接接頭失效模式轉(zhuǎn)變及其對環(huán)境的依賴性提供了有價(jià)值的見解。

      本文分別進(jìn)行了室溫（RC）、50°C（HT）和濕熱（HAC）條件下的靜態(tài)與疲勞試驗(yàn)與數(shù)值模擬研究。靜態(tài)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(yīng)力集中現(xiàn)象減弱，因此失效載荷降低的同時(shí)表現(xiàn)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(jìn)入粘接界面使粘接界面強(qiáng)度降低有關(guān)。

圖1 不同環(huán)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(yīng)力分布

      疲勞試驗(yàn)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(guān)系，當(dāng)疲勞載荷較高時(shí)，NRC>NHAC>NHT，與靜態(tài)接頭強(qiáng)度大小順序一致。對于較低的疲勞載荷，高溫條件下接頭強(qiáng)度降低的同時(shí)應(yīng)力集中現(xiàn)象不明顯且抗裂紋缺陷性較強(qiáng)；而對于濕熱條件下的SLJ，由于試驗(yàn)時(shí)間過長，接頭濕度降低，因此不同環(huán)境條件下的SLJ的疲勞壽命接近。

圖3 不同環(huán)境條件下載荷-疲勞壽命曲線

      不同環(huán)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(tài)與疲勞試驗(yàn)中存在內(nèi)聚破壞到混合破壞的失效模式轉(zhuǎn)變；而濕熱條件下則都表現(xiàn)為混合破壞模式，這與濕熱條件下界面強(qiáng)度降低有關(guān)，靜態(tài)實(shí)驗(yàn)中脫粘位置位于接頭兩側(cè)。進(jìn)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(yīng)力分布結(jié)果，如圖7所示。較低載荷水平下，應(yīng)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(kuò)展，界面脫粘面積占總粘接面積比例增加。

圖4 RC下靜態(tài)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(tài)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(yīng)力分布

      綜上所述，溫度和濕度都會(huì)降低接頭的疲勞壽命。疲勞工況下失效模式將從內(nèi)聚破壞轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)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(diǎn)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(xiàn)象的物理機(jī)理，對改進(jìn)接頭設(shè)計(jì)并提高不同環(huán)境條件下的接頭的抗疲勞性能有重要意義。

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