CN110132764A - 一种高温持续老化对粘接接头疲劳特性的影响评价方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高温持续老化对粘接接头疲劳特性的影响评价方法，选择对接和搭接接头在80℃和90℃高温条件下，分别老化144h、288h、432h、576h和720h，结论为：80℃和90℃条件下随着老化时间增加接头疲劳寿命逐渐降低，相同载荷水平下温度越高接头疲劳寿命越低；相同疲劳失效次数，老化时间约长接头的载荷水平越低；对接接头抗疲劳能力优于搭接接头，SEM扫描电镜照片可以观察到疲劳失效接头表面大量裂纹存在，不同老化时间接头疲劳寿命均符合Fmax/F0＝A+Bln(Nf)指数函数。本发明的优点是：弥补目前国内外没有研究老化对粘接剂疲劳特性的影响。

Description

一种高温持续老化对粘接接头疲劳特性的影响评价方法
技术领域
本发明涉及一种汽车工业方面的粘接技术领域，具体为一种高温持续老化对粘接接头疲劳特性的影响评价方法。
背景技术
目前，国内外关于粘接技术的研究多集中在粘接接头的静强度分析和环境老化方面，而车辆粘接结构在整个服役周期内会经历老化和疲劳的双重影响，因此，研究老化对粘接剂疲劳特性的影响有重要的实际意义。随着服役时间的延长，环境变化可能改变粘接接头的抗疲劳能力，研究老化时间对粘接接头疲劳特性的影响是很有必要的。纵观国内外关于粘接剂疲劳性能影响研究，几乎没有关于老化时间对粘接剂疲劳特性影响的研究，所以，研究持续老化对粘接接头疲劳特性的影响对于粘接技术在汽车工业上的应用具有十分重要的现实意义。
粘接剂材料的疲劳寿命研究不同于金属材料，通常粘接剂疲劳性能研究一般选择一种载体，比如选择金属对接接头或者单搭接接头进行研究。但是，单搭接接头剪切应力非均匀化特性和剥离应力存在，造成使用应力幅进行加载时很容易产生误差，因此，本发明粘接剂疲劳特性研究选择载荷进行加载，使用静态平均失效载荷F0对疲劳数据进行标准化处理。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高温持续老化对粘接接头疲劳特性的影响评价方法，弥补目前国内外没有研究老化对粘接剂疲劳特性的影响。
本发明采用的技术方案如下：一种高温持续老化对粘接接头疲劳特性的影响评价方法，选择对接和搭接接头在80℃和90℃高温条件下，分别老化144h、288h、432h、576h和720h，研究不同老化时间对接头疲劳特性的影响，对比温度对接头疲劳寿命影响；其特征在于结论为：
(1)80℃和90℃条件下随着老化时间增加接头疲劳寿命逐渐降低，相同载荷水平下温度越高接头疲劳寿命越低；相同疲劳失效次数，老化时间约长接头的载荷水平越低；
(2)对接接头抗疲劳能力优于搭接接头，SEM扫描电镜照片可以观察到疲劳失效接头表面大量裂纹存在，不同老化时间接头疲劳寿命均符合Fmax/F0＝A+Bln(Nf)指数函数；其中，Fmax是施加到接头上的最大载荷值，F0是平均准静态失效载荷，Nf是循环失效次数；A代表载荷等级，B代表拟合疲劳寿命曲线函数的斜率。
进一步的，所述高温持续老化对粘接接头疲劳特性的影响评价方法，其具体流程为：
(1)高温80℃和90℃条件下，对粘接试件进行144h、288h、432h、576h和720h共五组人工加速老化实验，对老化后的粘接接头在室温环境下进行准静态拉伸实验，测试接头失效载荷；
(2)把每一组实验接头的初始失效载荷，按照载荷等级分成100％、60％、50％、40％、30％和20％等级进行疲劳实验，获得相应的疲劳失效次数，根据疲劳失效次数拟合粘接接头疲劳载荷等级与循环次数关系函数，对比不同老化时间对接头疲劳寿命的影响。
进一步的，所述高温持续老化对粘接接头疲劳特性的影响评价方法中能对多个粘接接头同时进行加载，保证施加载荷的一致性，设有一套多接头疲劳试验加载装置；所述多接头疲劳试验加载装置主要包括拉力传感器、环境箱、加载试件、疲劳试验加载装置、液压油缸、液压油泵、控制箱、电脑显示器零部件。疲劳加载装置放置于高低温湿热环境箱的内部，包括对应平行放置的上下固定加载板，两个固定加载板之间固定连接多根支撑柱。液压油缸通过螺钉固定在下固定支撑板上，加载试件通过多级杠杆和液压油缸连接，其中，拉力传感器放置于高低温湿热环境箱外侧，固定在拉力传感器固定架上，拉力传感器连接件与杠杆连接，通过多级杠杆将拉力传感器连接件与多个粘接试件并联连接。控制箱与液压油泵，高低温湿热环境箱、拉力传感器连接形成闭环控制，电脑显示器监控高低温湿热环境箱，根据读取的拉力传感器数值调节控制动力装置对粘接试件施加不同大小和频率的工作载荷。
本发明的优点是：一种高温持续老化对粘接接头疲劳特性的影响方法，能够对高温持续老化服役环境对车辆粘接接结构的疲劳寿命影响进行评估，为车辆粘接结构的抗疲劳设计提供试验与理论上的支撑；根据不同载荷等级和不同老化处理时间接头的疲劳失效断面判断对粘接接头失效形式的影响，评估是否出现最危险的界面失效。为车辆粘接结构的设计，安装提供可靠依据。
附图说明
图1为本发明的多接头疲劳试验加载装置示意图。
图2为本发明的对接和搭接接头示意图。
图3为本发明的80℃环境对接接头不同老化时间疲劳载荷等级与循环次数关系曲线图。
图4为本发明的90℃环境不同老化时间对接接头疲劳载荷等级与循环次数关系曲线图。
图5为本发明的80℃环境对接接头不同老化时间失效表面SEM电镜图：(a)未老化，(b)144h，(c)288h，(d)432h，(e)576h，(f)720h。
图6为本发明的90℃环境对接接头不同老化时间失效表面SEM电镜图：(a)未老化，(b)144h，(c)288h，(d)432h，(e)576h，(f)720h。
图7为本发明的80℃环境不同老化时间搭接接头疲劳载荷等级与循环次数关系曲线图。
图8为本发明的90℃环境不同老化时间搭接接头疲劳载荷等级与循环次数关系曲线图。
图9为本发明的80℃环境搭接接头不同老化时间失效表面SEM电镜图：(a)未老化，(b)144h，(c)288h，(d)432h，(e)576h，(f)720h。
图10为本发明的90℃环境搭接接头不同老化时间失效表面SEM电镜图：(a)未老化，(b)144h，(c)288h，(d)432h，(e)576h，(f)720h。
具体实施方式
本发明的具体实施方案和过程如下：
1、实验装置设计加工。
为了提高试验效率，克服普通动态伺服加载测试系统一次只能加载一个试件的限制，并保证每组接头试验结果具有较高的一致性。本发明设计了一套专用的多接头疲劳试验加载装置。设有一套多接头疲劳试验加载装置；所述多接头疲劳试验加载装置主要包括拉力传感器1、高低温湿热环境箱2、加载试件3、疲劳试验加载装置4、液压油缸5、液压油泵6、控制箱7、电脑显示器8零部件。疲劳加载装置4放置于高低温湿热环境箱2的内部，包括对应平行放置的上固定加载板9、下固定加载板10，两个固定加载板之间固定连接多根支撑柱11。液压油缸5通过螺钉固定在下固定支撑板10上，加载试件3和第三杠杆15连接，第三杠杆15和第一杠杆13连接，第一杠杆13和第二杠杆14连接，第二杠杆14和液压油缸5连接，其中，拉力传感器1放置于高低温湿热环境箱2外侧，固定在拉力传感器固定架12上，拉力传感器1连接件与第三杠杆15连接，分别通过第三杠杆15、第一杠杆13和第二杠杆14将拉力传感器连接件与多个粘接试件并联连接。控制箱7与液压油泵6，高低温湿热环境箱2、拉力传感器1连接形成闭环控制，电脑显示器8监控高低温湿热环境箱2，根据读取的拉力传感器1数值调节控制动力装置对粘接试件施加不同大小和频率的工作载荷。该装置能对多个粘接接头同时进行加载，保证施加载荷的一致性，疲劳实验加载装置如图1所示。
设计对接和搭接试样，用来研究高温老化环境对接头疲劳特性的影响，对比相同老化时间对两种接头疲劳寿命的影响差异。对接接头整体尺寸是201mm×25mm×25mm，粘接面积是25×25mm2；搭接接头整体尺寸是175mm×25mm×11mm，粘接面积是25×25mm2；对接及剪切接头如图2所示，其中胶层厚度为1mm。
2、疲劳频率的选择。
疲劳实验选择单组份湿气固化聚氨酯胶粘剂，粘接剂作为一种高分子材料，温度改变影响其接头性能，在接头胶层内部温度疲劳测试中应考虑载荷及频率对胶层内部温度变化的影响，参照标准要求，选用的测试条件温度不应超过10℃，温度过高对测试结果影响较大，容易对胶层内部产生热老化影响。测试不同载荷及频率对温度变化的影响，测试方法如下：在制作剪切试样时，将热电偶放入胶层中间，待胶固化后进行测试(施加载荷根据试件常温条件下粘接剂强度实验数据)。
表1.1疲劳测试中胶层内部温度变化
从表1.1中可以得出，随着疲劳循环次数增加，接头胶层内部温度逐渐升高，其增加的速度在测试开始时较快，随后趋于稳定，当加载固定频率5HZ时温差不超过10℃，这个频率也比较接近车身振动固有频率，因此初步确定测试频率为5HZ。
3、老化时间对对接接头疲劳性能的影响。
高温80℃环境对接接头分别老化144h、288h、432h、576h和720h，接头疲劳载荷等级与循环次数关系曲线，如图3所示。
图中Fmax是施加到接头上的最大载荷值，F0是平均准静态失效载荷，Nf是循环失效次数。针对图3疲劳试验数据在指数坐标系内进行拟合处理，获得对接接头分别老化144h、288h、432h、576h和720h疲劳寿命方程，如方程(1-1)～(1-5)：
Fmax/F0＝-0.0508ln(Nf)+1.0130…………………(1-1)
Fmax/F0＝-0.0498ln(Nf)+0.9899…………………(1-2)
Fmax/F0＝-0.0503ln(Nf)+0.9794…………………(1-3)
Fmax/F0＝-0.056ln(Nf)+1.0148…………………(1-4)
Fmax/F0＝-0.0534ln(Nf)+0.9394…………………(1-5)
对接接头80℃环境老化144h、288h、432h、576h和720h，疲劳寿命方程线性最小二乘拟合的相关系数R2分别是0.99、0.98、0.98、0.96和0.99拟合精度好，离散性相对较小说明对接接头对缺陷不敏感，通常和疲劳相关的离散性较大。
由图3不同老化时间接头寿命变化曲线可以看出，相同循环失效次数不同老化时间接头对应的最大载荷值不同，144h老化接头对应的载荷值最高，720h老化接头对应的载荷值最低。相同载荷水平不同老化时间接头对应的失效次数也不同，144h老化接头对应的失效次数最大，720h老化接头对应的失效次数最小。说明80℃环境老化时间对接头疲劳性能产生影响。
高温90℃环境对接接头分别老化144h、288h、432h、576h和720h，接头疲劳载荷等级与循环次数关系曲线，如图4所示。
90℃不同老化时间接头的疲劳实验值在对数坐标系内使用直线方程进行拟合，不同老化时间接头疲劳寿命拟合方程如下：方程(1-1)～(1-10)是对接接头分别老化144h、288h、432h、576h和720h接头疲劳寿命方程。
疲劳实验值在对数坐标系内使用直线方程进行拟合，不同老化时间接头疲劳寿命拟合方程如下：方程(1-6)～(1-10)是对接接头分别老化144h、288h、432h、576h和720h接头疲劳寿命方程。
Fmax/F0＝-0.05489ln(Nf)+0.9989………………(1-6)
Fmax/F0＝-0.0491ln(Nf)+0.9820………………(1-7)
Fmax/F0＝-0.0518ln(Nf)+1.0012…………………(1-8)
Fmax/F0＝-0.0551ln(Nf)+1.0081…………………(1-9)
Fmax/F0＝-0.0557ln(Nf)+0.9749………………(1-10)
对接接头90℃环境老化144h、288h、432h、576h和720h，疲劳寿命方程线性最小二乘拟合的相关系数R2分别是0.99，0.99，0.99，0.96，0.98，显示拟合精度非常好，结果离散性相对较小说明对接接头对缺陷不是十分敏感。不同老化时间接头寿命方程斜率不同，说明90℃条件对接头疲劳性能产生了影响。根据80℃和90℃老化环境接头疲劳寿命方程可以推测，温度越高对接头疲劳性能影响越显著。
4、对接接头疲劳失效断面形貌分析。
使用电子扫描电镜(SEM)观察不同失效接头表面形貌。图5是80℃对接接头分别老化144h、288h、432h、576h和720h疲劳失效电镜图，可以看出不同老化时间接头疲劳失效断面微观形貌发生明显变化。老化前接头的失效表面裂纹明显不太明显，但是，144h老化接头失效表面可以观察到清晰裂纹(图5(b)圆圈区域)，老化288h、432h、576h和720h接头疲劳失效表面裂纹更明显(图5(c,d,e,f)中圆圈区域)，表面也更加粗糙度。
90℃环境对接接头分别老化144h、288h、432h、576h和720h疲劳失效表面形貌，如图6所示。由电镜图可以看出，144h老化接头疲劳失效表面可以清晰看到裂纹(图6(b)圆圈区域)，随着老化时间增加，接头失效表面裂纹尺寸增加，数量增多，如图6(c,d,e,f)所示。
通过以上分析发现，接头经过不同老化时间处理，疲劳失效表面形貌发生显著变化，老化前接头失效表面裂纹不明显，高温老化后接头失效表面可以清晰观察到裂纹产生，这也为疲劳寿命随着老化时间增加而降低提供了合理解释。90℃高温环境疲劳失效接头的表面裂纹比80℃高温环境更明显。
5、老化时间对单搭接接头疲劳性能的影响。
搭接接头在高温80℃环境分别老化144h、288h、432h、576h和720h，接头疲劳载荷等级与循环次数关系曲线，如图7所示。
对实验值在对数坐标系内使用直线方程进行拟合，获得不同老化时间接头疲劳寿命拟合方程，接头分别老化144h、288h、432h、576h和720h疲劳寿命方程如(1-11)～(1-16)。
Fmax/F0＝-0.0579ln(Nf)+0.9879…………………(1-11)
Fmax/F0＝-0.05891ln(Nf)+0.9558…………………(1-12)
Fmax/F0＝-0.0633ln(Nf)+0.9663…………………(1-13)
Fmax/F0＝-0.0649ln(Nf)+0.9641…………………(1-14)
Fmax/F0＝-0.0673ln(Nf)+0.9471…………………(1-15)
搭接接头80℃环境老化144h、288h、432h、576h和720h，疲劳寿命曲线线性最小二乘拟合的相关系数R2分别是0.97，0.98，0.98，0.98，0.98，显示拟合精度非常好，结果离散性相对较小说明搭接接头对缺陷不是十分敏感。
由图中变化曲线可以看出，80℃环境相同载荷等级对应接头疲劳失效次数不同，144h老化接头疲劳失次数最大，720h老化接头对应的疲劳失效次数最小。相同循环失效次数不同老化时间接头对应的最大载荷值不同，其中，144h老化接头对应的载荷值最高，720h老化接头对应的载荷值最低。说明高温环境不同老化时间对接头疲劳性能产生影响。
图8是90℃高温环境搭接接头分别老化144h、288h、432h、576h和720h接头疲劳载荷等级与失效次数关系曲线。对疲劳试验值在对数坐标系内使用直线方程进行拟合，获得不同老化时间接头的疲劳寿命拟合方程如下：
方程(16)～(20)是搭接接头分别老化144h、288h、432h、576h和720h接头疲劳寿命方程。
Fmax/F0＝-0.0613ln(Nf)+0.9439…………………(1-16)
Fmax/F0＝-0.0629n(Nf)+0.9428…………………(1-17)
Fmax/F0＝-0.0645ln(Nf)+0.9543…………………(1-18)
Fmax/F0＝-0.0678ln(Nf)+0.9844…………………(1-19)
Fmax/F0＝-0.0681ln(Nf)+0.9652…………………(1-20)
搭接接头90℃环境老化144h、288h、432h、576h和720h，疲劳寿命曲线线性最小二乘拟合的相关系数R2分别是0.97，0.98，0.98，0.98，0.98，显示拟合精度非常好，结果离散性相对较小说明搭接接头对缺陷不是十分敏感。
由图中变化曲线可以看出，90℃环境相同载荷等级对应接头疲劳失效次数不同，144h老化接头疲劳失次数最大，720h老化接头对应的疲劳失效次数最小。相同循环失效次数不同老化时间接头对应的最大载荷值不同，其中，144h老化接头对应的载荷值最高，720h老化接头对应的载荷值最低。说明高温环境不同老化时间对接头疲劳性能产生影响。
通过以上讨论分析发现，温度越高对搭接接头疲劳性能影响越严重，相同温度下老化时间越长，接头的抗疲劳性能越差。对接和搭接接头在高温环境下随老化时间增加，接头疲劳寿命具有相同的变化趋势，老化时间越长接头疲劳寿命越低。
6、搭接接头疲劳失效断面形貌分析。
使用电子扫描显微镜(SEM)观察搭接接头不同失效接头表面形貌。图9是80℃环境搭接接头分别老化144h、288h、432h、576h和720h疲劳失效电镜图。由电镜图可以看出，搭接接头的失效存在存在明显的脊状突起，这些脊状突起垂直于作用力方向，如图9(a，b,c,d)所示。图9(a)是老化前接头疲劳失效断面，接头存在明显的脊状突起，随着老化时间增加，144h和288h老化接头疲劳失效断面脊状突起更加明显(图9(b,c)圆圈区域)。图9(d)是432h老化接头疲劳失效表面，可以明显看到粘接撕裂迹象和裂纹的产生(图9(d)圆圈区域)。老化576h和720h疲劳失效断面基本上没有撕裂迹象，但是，表面裂纹和凸起更加明显(图9(e,f)圆圈区域)。
90℃环境搭接接头分别老化144h、288h、432h、576h和720h疲劳失效表面形貌，如图10所示。未老化和144h老化接头的疲劳失效表面存在明显脊状突起，随着老化时间增加脊状突起消失，失效断面观察呈现明显的裂纹和大量凹凸不平的结构形貌，这些是高温和疲劳载荷共同作用结果。
通过以上分析发现，接头经过不同老化时间处理，疲劳失效表面发生显著变化，随着老化时间增加失效接头微观形貌发生明显改变，高温老化后接头失效表面可以清晰观察到裂纹产生，这为疲劳寿命随着老化时间增加而降低提供合理解释。
7、总结：选择对接和搭接接头在80℃和90℃高温条件下，分别老化144h、288h、432h、576h和720h，研究不同老化时间对接头疲劳特性的影响，对比温度对接头疲劳寿命影响，获得以下结论：80℃和90℃条件下随着老化时间增加接头疲劳寿命逐渐降低，相同载荷水平下温度越高接头疲劳寿命越低；相同疲劳失效次数，老化时间约长接头的载荷水平越低。对接接头抗疲劳能力优于搭接接头，SEM扫描电镜照片可以观察到疲劳失效接头表面大量裂纹存在，不同老化时间接头疲劳寿命均符合Fmax/F0＝A+Bln(Nf)指数函数。

Claims (3)

1.一种高温持续老化对粘接接头疲劳特性的影响评价方法，选择对接和搭接接头在80℃和90℃高温条件下，分别老化144h、288h、432h、576h和720h，研究不同老化时间对接头疲劳特性的影响，对比温度对接头疲劳寿命影响；其特征在于结论为：
(1)80℃和90℃条件下随着老化时间增加接头疲劳寿命逐渐降低，相同载荷水平下温度越高接头疲劳寿命越低；相同疲劳失效次数，老化时间约长接头的载荷水平越低；
(2)对接接头抗疲劳能力优于搭接接头，SEM扫描电镜照片可以观察到疲劳失效接头表面大量裂纹存在，不同老化时间接头疲劳寿命均符合Fmax/F0＝A+Bln(Nf)指数函数；其中，Fmax是施加到接头上的最大载荷值，F0是平均准静态失效载荷，Nf是循环失效次数；A代表载荷等级，B代表拟合疲劳寿命曲线函数的斜率。
2.根据权利要求1所述的一种高温持续老化对粘接接头疲劳特性的影响评价方法，其具体流程为：
(1)高温80℃和90℃条件下，对粘接试件进行144h、288h、432h、576h和720h共五组人工加速老化实验，对老化后的粘接接头在室温环境下进行准静态拉伸实验，测试接头失效载荷；
(2)把每一组实验接头的初始失效载荷，按照载荷等级分成100％、60％、50％、40％、30％和20％等级进行疲劳实验，获得相应的疲劳失效次数，根据疲劳失效次数拟合粘接接头疲劳载荷等级与循环次数关系函数，对比不同老化时间对接头疲劳寿命的影响。
3.根据权利要求1所述的一种高温持续老化对粘接接头疲劳特性的影响评价方法，其特征在于：为了能对多个粘接接头同时进行加载，保证施加载荷的一致性，设有一套多接头疲劳试验加载装置；所述多接头疲劳试验加载装置主要包括拉力传感器、高低温湿热环境箱、加载试件、疲劳试验加载装置、液压油缸、液压油泵、控制箱、电脑显示器；疲劳加载装置放置于高低温湿热环境箱的内部，包括对应平行放置的上固定加载板、下固定加载板，两个固定加载板之间固定连接多根支撑柱；液压油缸通过螺钉固定在下固定支撑板上，加载试件通过第三杠杆，第一杠杆和第二杠杆连接到液压油缸连接，其中，拉力传感器放置于高低温湿热环境箱外侧，固定在拉力传感器固定架上，拉力传感器连接件与第三杠杆连接，分别通过第三杠杆、第一杠杆和第二杠杆将拉力传感器连接件与多个粘接试件并联连接；控制箱与液压油泵，高低温湿热环境箱、拉力传感器连接形成闭环控制，电脑显示器监控高低温湿热环境箱，根据读取的拉力传感器数值调节控制动力装置对粘接试件施加不同大小和频率的工作载荷。
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