黃志超 胡兆驍 劉帥紅 藺永誠 姜玉強 周澤杰

1.華東交通大學(xué)載運工具與裝備教育部重點實驗室，南昌，3300132.中南大學(xué)機電工程學(xué)院，長沙，410012

0 引言

近年來，輕量化技術(shù)在工程機械中展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，輕量化已經(jīng)成為未來發(fā)展的必然趨勢。材料的輕量化是輕量化技術(shù)的重要方向之一，高強鋼、鋁合金、鎂合金和碳纖維復(fù)合材料等成為實現(xiàn)輕量化的理想材料[1-2]。各種輕量化材料如高強鋼、高強度鋁、復(fù)合材料等被廣泛應(yīng)用于載運工具輕量化制造，這促使了自沖鉚接工藝的廣泛應(yīng)用[3]。自沖鉚接(self-piercing riveting，SPR)工藝作為一種新型的連接工藝，能夠有效實現(xiàn)輕量化材料的連接[4]。膠鉚復(fù)合連接是一種將膠接技術(shù)與自沖鉚接技術(shù)相結(jié)合的復(fù)合連接技術(shù)。將粘膠劑引入到自沖鉚接技術(shù)當(dāng)中，不僅接頭的力學(xué)性能得到大幅度提高，而且還能有效地防止異種金屬之間發(fā)生電化學(xué)腐蝕。

國內(nèi)外研究者對自沖鉚接工藝進行了深入研究。黃志超等[5]系統(tǒng)研究了TA1鈦合金自沖鉚接接頭疲勞性能及失效機理，結(jié)果表明疲勞強度隨應(yīng)力比的增大而增大，隨最大載荷值的增加而減小。LIU等[6]建立了二維軸對稱仿真模型，對鉚接過程進行了數(shù)值模擬研究，系統(tǒng)研究了模具類型、模具直徑、模具深度和模具凸點高度對鉚釘和板料變形行為的影響。呂楓等[7]采用數(shù)值模擬與試驗研究相結(jié)合的方法，研究了不同的板料組合方式下，鋼/鋁異種金屬板自沖鉚接的材料受力及變形情況，并通過拉伸-剪切試驗測試了鉚接接頭性能。LIN等[8]提出了一種基于有限元模擬和極值梯度助推決策樹(XGBoost)算法的SPR接頭交叉拉伸強度預(yù)測方法。IYER等[9]對不同厚度的鋁合金自沖鉚接接頭進行疲勞試驗,發(fā)現(xiàn)板料越厚，疲勞壽命的最大疲勞載荷就越大。MORONI[10]研究了粘接與自沖鉚接混合接頭的疲勞性能，結(jié)果表明在混合接頭中，機械緊固的存在降低了粘接層的裂紋擴展速率，從而延長了疲勞壽命。UFFERMAN等[11]研究了進行不同表面處理的鋁合金板自沖鉚接及自沖鉚接與粘接結(jié)合的鉚接件疲勞特性，發(fā)現(xiàn)鉚接與粘接結(jié)合會顯著提高構(gòu)件的靜強度和疲勞性能。魏文杰等[12]對DP780高強鋼與AA6061鋁合金薄板的異質(zhì)自沖鉚接連接工藝進行研究，對比分析了不同搭接順序的兩組接頭的疲勞性能、失效行為以及微動損傷機理。

異種材料采用自沖鉚接工藝時，由于不同材料具有不同的電化學(xué)效能，電極電位相差較大，因此混合連接時可能發(fā)生電化學(xué)腐蝕。板料間的電化學(xué)行為會導(dǎo)致接頭的機械性能下降，因此需要盡可能減少電偶腐蝕，尤其是鉚釘接頭周圍區(qū)域的電偶腐蝕。此外，鉚接過程會產(chǎn)生大量的殘余應(yīng)力，進一步加速腐蝕過程。FIORE等[13]分別研究了鋁/鋼鉚接接頭和復(fù)合材料/鋁鉚接接頭在鹽霧環(huán)境下的耐久性。CALABRESE等[14]對同種鋁合金材料及鋼鋁異種材料的自沖鉚接頭分別進行腐蝕試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)腐蝕會顯著影響接頭的性能。

本文以SPFC440鋼板與5052鋁板為研究對象，制備了自沖鉚接和膠接鉚接復(fù)合兩種接頭，對兩種接頭試樣進行不同時長的鹽霧腐蝕試驗，并對不同腐蝕時長下的兩種接頭試樣進行力學(xué)性能測試，研究了不同腐蝕時長對兩種接頭性能的影響以及結(jié)構(gòu)膠對接頭腐蝕疲勞性能的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗中，分別采用SPFC440鋼板、AA5052鋁板進行自沖鉚接。在自沖鉚接中，當(dāng)采用強度高的板料作為上板、塑性性能好的板料作為下板時，自沖鉚接接頭的性能及成形質(zhì)量最優(yōu)[12]。由于鋼板強度高于鋁板強度，且鋁板具有很好的塑性能力，因此本次試驗選擇上層厚2.0 mm SPFC440鋼板，下層厚2.5 mmAA5052鋁板。丙烯酸酯粘膠劑粘接性能好，室溫下即可快速固化，耐油性、耐久性、耐老化性均好，膠層的抗剝離強度高，對被粘材料的表面處理無嚴(yán)格要求，并適用于同類及異類金屬材料之間的粘接，被廣泛應(yīng)用于航空、汽車等領(lǐng)域。從膠接操作的便利性、對材料的適用性、膠接層的抗剝離性，以及粘膠劑的無毒無害性等方面綜合選擇，本次試驗采用ND-HJJ1860丙烯酸酯雙組份結(jié)構(gòu)膠。SPFC440和AA5052化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))見表1和表2，板料力學(xué)性能參數(shù)見表3。試驗設(shè)備為RV300023型自沖鉚接機，所用鉚釘為Henrob H4半空心鉚釘，頭部直徑為7.8 mm，腿部直徑為5.3 mm，高度為7 mm。

表1 SPFC440化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

表2 AA5052化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

表3 板料力學(xué)性能參數(shù)

1.2 試驗方案

膠鉚接頭試件尺寸如圖1所示。為研究腐蝕對膠鉚接頭力學(xué)性能的影響，制備了鉚接和膠鉚復(fù)合接頭，并進行對比研究。

圖1 試驗樣件尺寸

鉚接后，樣品先用刷清潔，接著用丙酮清洗，去除表面油脂，然后用熱風(fēng)吹干樣品5 min，隨后在70 ℃恒溫箱中干燥48 h，最后稱重，以克為基本單位，精確到小數(shù)點后四位。

在35 ℃(±1.5 ℃)的鹽霧室中，使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的NaCl溶液噴霧進行腐蝕。根據(jù)《GB/T10125—2012 人造氣氛腐蝕試驗 鹽霧試驗》，本次鹽霧試驗設(shè)置5組腐蝕樣件，各組樣件的鹽霧時間分別為0周、1周、2周、3周和5周，總腐蝕時間為5周(總計840 h)。試驗以1 h為周期進行。先對樣品進行噴霧30 min，速度為0.8 L/h，然后是30 min的熱風(fēng)(干燥)，以此循環(huán)往復(fù)。鹽霧機試驗箱溫度設(shè)置為35 ℃。樣品在達到相應(yīng)腐蝕時間后取出。取出后，先將鹽霧腐蝕后的樣件放置在室內(nèi)干燥30 min，然后用不高于40 ℃的潔凈流動水進行30 min的沖洗，沖洗結(jié)束后熱風(fēng)吹干樣品5 min，隨后在70 ℃恒溫箱中干燥48 h，最后對樣件進行稱重。

在不同腐蝕時間下，選擇2～3組試樣進行拉伸試驗和疲勞試驗。若兩組試驗數(shù)據(jù)相近，則說明結(jié)果重復(fù)性較好，若兩組試驗數(shù)據(jù)離散性較大，則再增設(shè)一組進行補充試驗，然后對重復(fù)性較好的兩組試驗數(shù)據(jù)進行求取平均值，以均值數(shù)據(jù)作為最終的試驗數(shù)據(jù)結(jié)果。

使用日本日立Su8010場發(fā)射掃描電鏡觀察不同老化時間下鉚接、膠鉚試件拉伸后的微觀失效形貌，并基于掃描電鏡觀察結(jié)果分析失效表面情況。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 腐蝕機理分析

點蝕是鋁合金最常見的腐蝕形態(tài)。點蝕一般萌生于金屬表面鈍化膜(Al2O3)缺陷和機械損傷部位。這是因為溶液中腐蝕性陰離子(Cl-)吸附在鈍化膜缺陷處，并與此處的陽離子(Al3+)結(jié)合生成可溶性氯化物(AlCl3)，從而形成細小的點蝕孔。點蝕孔產(chǎn)生后，蝕孔內(nèi)處于活化溶解狀態(tài)，蝕孔外處于鈍態(tài)，從而構(gòu)成了一個活化-鈍態(tài)的腐蝕電池，促進了點蝕破壞的發(fā)展。

鋼板在NaCl溶液中的點蝕過程包括：金屬溶解反應(yīng)產(chǎn)生金屬陽離子(Fe2+)；部分金屬陽離子與腐蝕性陰離子(Cl-)結(jié)合生成金屬氯化物(FeCl2)并發(fā)生水解反應(yīng)，還有部分金屬陽離子被氧化，氧化后的金屬陽離子(Fe3+)依次發(fā)生水解反應(yīng)與沉淀反應(yīng)，從而引發(fā)鐵銹的不斷堆積。

2.2 兩種接頭的腐蝕形貌分析

圖2為接頭初始狀態(tài)與每個周期腐蝕后的形貌圖。可明顯看到，在所有的老化過程中，接頭處均形成了大量的白銹(AlCl3)，并持續(xù)溶解直至試驗結(jié)束；在鋼板側(cè)觀察到紅銹(Fe2O3·xH2O)的形成，說明鋼板側(cè)腐蝕比鋁板側(cè)的腐蝕嚴(yán)重得多;在鋁板表面形成了腐蝕坑，尤其是在搭接邊緣附近地區(qū);鉚釘表面的鋅涂層溶解并形成紅銹，這是由電偶腐蝕和縫隙腐蝕效應(yīng)引起的。

(a)鉚接接頭

2.3 兩種接頭的力學(xué)性能分析

圖3為兩種接頭分別經(jīng)過0周、1周、2周、3周和5周鹽霧腐蝕后的載荷-位移曲線，可以看出兩種接頭表現(xiàn)出完全不同的荷載-位移曲線。從圖3a中可以看出，自沖鉚接接頭在初始階段的載荷-位移呈線性快速遞增；當(dāng)位移為5～6 mm時載荷達到最大值；隨著位移繼續(xù)增大，接頭處于屈服破壞階段，載荷值不斷減小，直至接頭破壞失效，載荷值降至零值。由圖3b觀察到，膠鉚復(fù)合接頭荷載-位移曲線的變化分為幾個階段。第一階段由于膠接層破壞發(fā)生在鉚釘斷裂之前，復(fù)合接頭在第一階段經(jīng)歷了與粘接接頭相似的演變趨勢；不同的是，隨后第二階段膠層斷裂，載荷值急劇減小，但由于鉚釘仍保持承載能力，載荷值未達到零值；在第三階段，鉚釘是唯一承載件，此時粘接層完全失效，因為鉚釘?shù)乃苄宰冃危d荷值呈現(xiàn)瞬時增加并幾乎達到恒定值，最終鉚釘斷裂，載荷值降至零值。由圖3可以看出，盡管不同腐蝕時長下接頭的荷載-位移曲線輪廓與未老化接頭呈現(xiàn)出相似的演變趨勢，但最大荷載承載力和破壞位移卻大不相同。造成這種現(xiàn)象的原因主要是粘接層及膠接界面的老化。

(a)鉚接接頭

復(fù)合接頭在較小的位移下，荷載-位移變化趨勢呈線性增加。在這一階段，連接阻力既來自于不同金屬板之間的粘接作用，也來自于鉚釘板料之間的接觸壓力。隨后，隨著位移增大，荷載與位移之間的關(guān)系成非線性。此階段，隨著載荷的增大，接頭的不對稱結(jié)構(gòu)導(dǎo)致板端邊緣出現(xiàn)明顯的彎曲變形；夾緊部分開始扭曲，接頭承受剪切過程中的機械應(yīng)力，并且粘接層開始局部脫落，接頭的整體剛度降低，這可以從曲線斜率減小的趨勢中看出。

圖4為兩種接頭的接頭性能隨腐蝕時長的老化曲線。由圖4a可以看出，隨著腐蝕時間的增長，鉚接接頭最大靜載荷呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢；而膠鉚復(fù)合接頭的最大靜載荷隨著老化時間的增長而減小。由表4可知，未老化時，膠鉚復(fù)合接頭最大靜載荷約為鉚接接頭最大靜載荷的1.94倍；經(jīng)過5周的鹽霧腐蝕后，鉚接接頭的最大靜載荷減小了約40.34%，膠鉚復(fù)合接頭的最大靜載荷減小了約24.48%。這說明膠鉚復(fù)合接頭的靜強度優(yōu)于鉚接接頭的靜強度，且結(jié)構(gòu)膠的存在不僅提高了接頭強度，還在鹽霧老化中有效保護了接頭。

(a)接頭最大靜載荷隨腐蝕時長變化曲線

表4 接頭性能試驗數(shù)據(jù)

在接頭的疲勞壽命方面，由圖4b可知，兩種接頭的疲勞壽命均受到鹽霧老化的影響，且鉚接和膠鉚復(fù)合接頭的循環(huán)次數(shù)均隨著老化時間的增長而減少。從表4中可得：未老化時，膠鉚復(fù)合接頭的循環(huán)次數(shù)比鉚接接頭循環(huán)次數(shù)多了32.09%；經(jīng)過5周的鹽霧腐蝕后，鉚接接頭的疲勞壽命縮短了約84.24%，膠鉚復(fù)合接頭的疲勞壽命縮短了約59.37%。這說明膠鉚復(fù)合接頭的疲勞強度優(yōu)于鉚接接頭，且結(jié)構(gòu)膠的存在不僅延長了接頭的疲勞壽命，還在鹽霧老化中有效保護了接頭，減緩了接頭的退化。

采用最小二乘法優(yōu)化logistic模型擬合出接頭疲勞壽命與腐蝕時長變化曲線，如圖4b所示，兩種接頭的疲勞壽命曲線方程如下：

鉚接接頭的疲勞壽命

N=33.167+170.05/(1+(t/1.285))3.218

(1)

膠鉚復(fù)合接頭的疲勞壽命

N=109+159.2/(1+(t/1.37))3

(2)

2.4 兩種接頭的拉伸失效模式分析

圖5所示為不同腐蝕時間下兩種接頭的拉伸破壞形貌，可以看出兩種接頭的失效模式主要是鉚釘失效導(dǎo)致的上下片板脫離。

(a)鉚接接頭

對于鉚接接頭，接頭失效形式均表現(xiàn)為鉚釘失效導(dǎo)致的上下片板脫離，但老化時間越長，板料生銹越嚴(yán)重，鉚釘與上板料結(jié)合的穩(wěn)定性越差。老化5周后鉚接接頭失效時鉚釘從上板料拉出且下板料鉚釘孔處出現(xiàn)明顯裂紋，說明在鹽霧作用下接頭上下板料都有不同程度的溶解，進而導(dǎo)致接頭強度下降。

對于膠鉚復(fù)合接頭，失效形式為鉚釘拔出下板料導(dǎo)致的接頭失效，未老化試樣膠粘層表現(xiàn)為粘聚破壞，膠粘層的失效百分比隨老化時間的增長而增加。在較短老化時間內(nèi)，膠粘層的存在避免了上下板料直接接觸，抑制了電偶腐蝕現(xiàn)象，且在一定程度上減緩了鋁下板的腐蝕溶解[15]。當(dāng)老化時間較長時，膠粘層會由于長時間的鹽霧環(huán)境而老化失效。膠粘層的老化失效主要是長時間受到鹽霧箱中濕熱環(huán)境影響所導(dǎo)致的。這是因為粘膠劑的酯鍵在長時間的濕熱環(huán)境下被水解破壞；更主要的是，水分子很小，極性又很大，容易沿著親水的金屬氧化物界面層滲透，破壞膠接界面層的氫鍵；并且水分子滲入膠層后，會引起膠層的膨脹變形，在界面上產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，從而導(dǎo)致膠粘層與金屬脫粘[16-17]。由圖5可以看出，粘膠劑失效的斷裂表面在界面處出現(xiàn)了氯化鈉晶體的沉積。這主要是膠粘層在長時間鹽霧環(huán)境下，使得鹽霧微粒沉降在接頭附近，使其吸潮溶解成氯化物的水溶液，從而滲入膠層內(nèi)部，加速了接頭處的電化學(xué)反應(yīng)，加速了膠粘層的老化和接頭的腐蝕，發(fā)生脫粘失效[18]。而相比鉚接接頭，膠鉚復(fù)合接頭的抗腐蝕性能較強。

2.5 兩種接頭的疲勞失效分析

圖6為不同腐蝕時間下兩種接頭的疲勞失效形貌圖。從圖6a中可以看出，鉚接接頭在不同腐蝕時間下呈現(xiàn)不同的疲勞失效模式。未腐蝕試樣、腐蝕1周試樣、腐蝕2周試樣和腐蝕3周試樣的失效模式均表現(xiàn)為疲勞裂紋從鉚接孔向鋁板左右兩側(cè)邊緣處擴展，斷裂方向與載荷方向垂直，這是因為鉚釘腳與鋁板交界處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，使得鋁板的鉚接孔處成為接頭較脆弱的部分，在疲勞載荷的作用下容易萌生疲勞裂紋。不同腐蝕時間下，鋁合金板的翹曲變形程度不同，造成這種現(xiàn)象的主要原因是腐蝕時間越長，鋁板的剛度退化越嚴(yán)重。老化5周后的試樣失效模式為鋁板從一側(cè)斷裂到另一側(cè)，裂紋方向同樣與載荷方向垂直。從圖6b中可以觀察到，膠鉚復(fù)合接頭的疲勞失效模式均表現(xiàn)為鋁板的斷裂，腐蝕時長對復(fù)合接頭的疲勞失效模式無太大影響。此外，可以觀察到一些斷裂路徑參差不齊，這是由于斷裂路徑周圍不規(guī)則分布的腐蝕坑造成的，這些凹坑會改變裂紋擴展的方向。

(a)鉚接接頭

圖7為老化5周后鉚接接頭試樣疲勞裂紋的掃描電鏡圖。由圖7b可以看出，斷口下表面出現(xiàn)大量黑色碎屑，這說明此處發(fā)生了嚴(yán)重的磨損，推測微動區(qū)域主要在鉚釘腳與下板料接觸的界面處。微動磨損使得此處萌生出疲勞裂紋，并不斷地擴展延伸，最終引發(fā)斷口的大裂紋，使得鉚接樣件疲勞失效。由圖7c和圖7d可知，斷口截面處萌生了較多裂紋，這些疲勞裂紋在微動磨損的作用下不斷擴展延伸，由于裂紋的橫向擴展速率更快，最終導(dǎo)致疲勞斷口處的大裂紋呈現(xiàn)為由金屬板的一側(cè)擴展到另一側(cè)。

(a)接頭宏觀裂紋 (b)圖a中裂紋剖面

圖8所示為鹽霧腐蝕后接頭元素分布情況。下板接頭處元素含量如表5所示。由圖8元素分析可得，接頭處含有大量Na元素與Cl元素，說明接頭處白色銹漬中含有部分NaCl晶體。這是因為：接頭處兩板料之間會存在微小間隙，由于接頭長時間處于鹽霧環(huán)境，鹽霧顆粒會逐漸侵蝕到接頭間隙中；且接頭處嚴(yán)重的腐蝕導(dǎo)致金屬板料界面出現(xiàn)不規(guī)則腐蝕坑，接頭處板料之間的微小間隙和腐蝕坑的存在，幫助了鹽霧顆粒的附著，使得接頭處存在少量NaCl。

表5 下板接頭處元素含量

從圖8的電鏡圖中可以看出，該處具有許多縱橫交錯的裂紋。從元素分布情況可以看出，接頭處出現(xiàn)較多的Al和O元素，這是由于鋁化學(xué)性質(zhì)十分活潑，與空氣接觸時，接頭處鋁板氧化產(chǎn)生了Al2O3；并且接頭處含有Fe與C元素，說明該處發(fā)生了劇烈的微動磨損，使得該區(qū)域含有大量的鋼板碎屑。由此可知，該處可能是疲勞裂紋的萌生區(qū)，并且此處疲勞裂紋的產(chǎn)生是疲勞微動磨損造成的。

(a)接頭下板斷口 (b)圖a中圈內(nèi)區(qū)域微觀圖

3 結(jié)論

(1)膠鉚復(fù)合接頭的靜強度與疲勞壽命均優(yōu)于鉚接接頭。結(jié)構(gòu)膠的存在不僅提高了接頭的性能，還保護了接頭，減小了電偶腐蝕現(xiàn)象的影響。

(2)隨著腐蝕時間的增長，鉚接接頭最大靜載荷先增大后減小，膠鉚復(fù)合接頭的最大靜載荷值不斷減?。汇T接和膠鉚復(fù)合接頭的疲勞壽命均隨著老化時間的增長而減小。

(3)兩種接頭的拉伸失效均表現(xiàn)為鉚釘失效導(dǎo)致的上下片板脫離。隨著老化時間的增長，自沖鉚接接頭鉚釘與上板料結(jié)合的穩(wěn)定性越來越差，最終鉚釘從上板料拉出下板料且鉚釘孔處出現(xiàn)明顯裂紋；膠鉚復(fù)合接頭的膠粘層的裂紋隨著腐蝕時間的增長呈現(xiàn)出由金屬板的一側(cè)擴展到另一側(cè)的情況。

(4)微動區(qū)域主要在鉚釘腳與下板料接觸的界面處,微動磨損使得此處萌生出細小疲勞裂紋，并不斷地擴展延伸，由于疲勞裂紋的橫向擴展速率更快，最終導(dǎo)致疲勞斷口的大裂紋呈現(xiàn)為由金屬板的一側(cè)擴展到另一側(cè)的情況。