铆钉高度对树脂基复合材料与铝合金自冲铆接接头抗拉强度的影响及失效分析

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铆钉高度对树脂基复合材料与铝合金自冲铆接接头抗拉强度的影响及失效分析

摘  要：为探究铆钉高度对碳/玻璃纤维树脂基复合材料(CFRP/GFRP)与AA5754铝合金自冲铆接接头抗拉强度的影响，采用铆钉高度分别为7、8和9 mm的AA5754铝合金自冲铆接接头进行拉伸-剪切试验，观察其成形截面和失效模式。结果表明：铆钉高度越高，AA5754铝合金自冲铆接接头的成形截面越好；铆钉高度会对CFRP-AA5754和GFRP-AA5754铆接接头的初始刚度产生影响。铆钉高度相同时，GFRP-AA5754铆接接头的最大静载荷比CFRP-AA5754铆接接头的最大静载荷高约25%,两者的能量吸收值差距不大；铆接材料相同时，铆钉高度越大，接头最大载荷均值和能量吸收能力均变大。CFRP-AA5754铆接接头的失效模式为复合材料板与铆钉分离，伴随着上板材料纤维丝的断裂和层间开裂；GFRP-5754铆接接头的失效模式为金属板与铆钉分离。

关键词：树脂基复合材料；铝合金；自冲铆接；抗拉强度；失效模式

汽车重量的减少可以节约汽油和提高汽车操作性能[1]。在保证<span]汽车重量的减少可以节约汽油和提高汽车操作性能[1]。在保证<span]国内外众多学者对于自冲铆接技术连接同种和异种板材组合进行了各种研究。如今，各学者针对金属板材/复合材料板自冲铆接接头进行了相关研究。张凯等[6]基于CFRP和AA6022-T4铝合金的自冲铆接，发现复合板在上层时的接头质量优于复合板在下层时的接头质量，揭示了铆钉下压力对接头性能的影响和机理。黄志超等[7]为探究温度对TA1钛合金自冲铆接性能的影响，在20、100和150 ℃这3种预加热温度条件下，采用钛钛TA1+TA1、钛铝TA1+5052、铝钛5052+TA1进行静力拉伸试验，观察接头成形截面和拉伸失效模式。魏文杰等[8]采用铆焊复合连接技术对TA1纯钛进行自冲铆接后，再对其进行电阻点焊，比较了TA1纯钛铆焊复合接头与自冲铆接头在静力学性能、失效机理、能量吸收值等方面的差异。Rao H M等[9]采用不同高度的铆钉制备了碳纤维板-铝合金自冲铆接件，研究了铆钉高度对接头力学性能的影响。张杰等[10]通过对CFRP-CFRP、5052-CFRP和CFRP-5052不同组合方式进行了拉伸-剪切试验，结果表明：CFRP-5052自冲铆接头的失效模式为上板材料纤维丝的断裂以及层间开裂，并且上板厚度越大，失效载荷以及能量吸收值越大。Francon G D等[11]分析了碳纤维板和AA2024铝合金板自冲铆接接头的铆钉间距对其力学性能的影响，并在试验中将自冲铆接技术与结构型胶粘剂结合使用。黄志超等[12,13]研究了碳纤维板和AA5052铝合金自冲铆接接头中纤维铺层角度和铆钉高度等因素对铆接强度、铆接件失效模式、失效位移的影响；采用轴向加载的形式对TA1钛合金自冲铆接试样进行了疲劳试验，分析了应力比、最大载荷等对试样疲劳强度的影响，并研究了试样的失效机理。刑宝英等[14]研究了横、纵向两种铆接方式对双铆钉5052铝合金自冲铆接头的静拉伸性能和疲劳性能的影响。

迄今为止，对树脂基复合材料板与铝合金板材铆接件的相关研究主要集中于碳纤维板与AA5052自冲铆接件的相关力学性能以及失效机理的研究。本文使用CFRP-AA5754与GFRP-AA5754铝合金板自冲铆接接头，采用拉伸-剪切试验来评价其铆接件的质量以及分析接头的承载能力，来探究铆钉高度对上述两种铆接接头的抗拉强度以及失效形式的影响。

1试验1.1]迄今为止，对树脂基复合材料板与铝合金板材铆接件的相关研究主要集中于碳纤维板与AA5052自冲铆接件的相关力学性能以及失效机理的研究。本文使用CFRP-AA5754与GFRP-AA5754铝合金板自冲铆接接头，采用拉伸-剪切试验来评价其铆接件的质量以及分析接头的承载能力，来探究铆钉高度对上述两种铆接接头的抗拉强度以及失效形式的影响。
1试验1.1]采用真空辅助树脂传递模塑成形工艺(VARTM)制作碳/玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料板。成形工艺采用的树脂基为R688的饱和环氧树脂，饱和环氧树脂固化剂型号为H3268[15]。制作时，玻璃纤维复合材料铺层为[0/90]3s,碳纤维复合材料铺层为[0/90]5;采用VARTM工艺成形后，在室温下采用水刀切割技术，得到试验所需的135 mm×36 mm×3 mm规格的板料。
1.2 铆接件制备

本文采用英国HENROB公司的自冲铆接设备RV300023,拉伸-剪切试验采用瑞格尔RGM4030型万能试验机，设置5]本文采用英国HENROB公司的自冲铆接设备RV300023,拉伸-剪切试验采用瑞格尔RGM4030型万能试验机，设置5]采用铆钉高度分别为7、8和9 mm的自冲铆钉制备CFRP-AA5754铆接接头和GFRP-AA5754铆接接头。首先，采用水刀切割技术对铆接件沿着铆钉接头的子午面进行剖切；然后，采用砂纸对剖切好的接头断面进行打磨，将打磨好的接头断面放置于显微装置下进行钉脚张开度、钉头高度和残余底厚的标注。由图2可知，各种铆接件的接头均形成了牢固的机械自锁结构。通常，根据钉脚张开度、残余底厚和钉头高度这3个参数来评价自冲铆接的接头质量。

图2 不同铆钉高度下两种自冲铆接接头的成形截面

Fig.2 Forming sections of two kinds of self-piercing riveted joints at different rivet heights

(a)高度为7 mm的CFRP-AA5754铆接接头(b)高度为8 mm的CFRP-AA5754铆接接头(c)高度为9 mm的CFRP-AA5754铆接接头(d)高度为7 mm的GFRP-AA5754铆接接头(e)高度为8 mm的GFRP-AA5754铆接接头(f)高度为9 mm的GFRP-AA5754铆接接头

(a) CFRP-AA5754 riveted joint with height of 7 mm (b) CFRP-AA5754 riveted joint with height of 8 mm(c) CFRP-AA5754 riveted joint with height of 9 mm (d) GFRP-AA5754 riveted joint with height of 7 mm(e) GFRP-AA5754 riveted joint with height of 8 mm (f) GFRP-AA5754 riveted joint with height of 9 mm

在CFRP-AA5754自冲铆接件中，7、8和9]在CFRP-AA5754自冲铆接件中，7、8和9]通过对上述6种自冲铆接件进行拉伸-剪切试验，选择各组实验中最大失效载荷与其平均最大失效载荷最接近的实验作为各组的典型实验，采用Origin绘制各典型实验的载荷-位移曲线，试验的相关数据如表1所示。

所有铆接件的载荷-位移曲线均要经历弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和局部变形断裂阶段。载荷-位移曲线的斜率即为铆接件接头的刚度，载荷-位移曲线的斜率越大，说明对应的接头刚度越大。接头的刚度在拉伸过程中受到拉伸力的破坏而不断发生变化，但在初始弹性变形阶段，载荷-位移曲线呈现出线性上升的特征，这是由于：在初始阶段，拉伸力比较小，不足以对铆接接头造成破坏，这个阶段的接头刚度保持为铆接接头的初始刚度不变。如图3所示，对于高度为7和9]所有铆接件的载荷-位移曲线均要经历弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和局部变形断裂阶段。载荷-位移曲线的斜率即为铆接件接头的刚度，载荷-位移曲线的斜率越大，说明对应的接头刚度越大。接头的刚度在拉伸过程中受到拉伸力的破坏而不断发生变化，但在初始弹性变形阶段，载荷-位移曲线呈现出线性上升的特征，这是由于：在初始阶段，拉伸力比较小，不足以对铆接接头造成破坏，这个阶段的接头刚度保持为铆接接头的初始刚度不变。如图3所示，对于高度为7和9]铆钉高度为7 mm时，GFRP-AA5754铆接接头的最大载荷为3.740 kN,比CFRP-AA5754铆接接头的最大载荷2.945 kN高27%;CFRP-AA5754铆接接头的失效位移为12.434 mm, 比GFRP-AA5754铆接接头的失效位移6.103 mm高104%。铆钉高度为8 mm 时，GFRP-AA5754铆接接头的最大载荷为4.560 kN,比CFRP-AA5754铆接接头的最大载荷3.696 kN高23%;CFRP-AA5754铆接接头的失效位移为13.257 mm, 比GFRP-AA5754铆接接头的失效位移7.386 mm高79%。铆钉高度为9 mm时，GFRP-AA5754铆接接头的最大载荷为5.223 kN,比CFRP-AA5754铆接接头的最大载荷4.270 kN高22%;CFRP-AA5754铆接接头的失效位移为15.389 mm, 比GFRP-AA5754铆接接头的失效位移8.753 mm高76%。由以上数据可以推断：铆钉高度相同时， GFRP-AL5754铆接接头的最大载荷均高于CFRP-AL5754铆接接头的最大载荷约25%;CFRP-AA5754铆接接头的失效位移均高于GFRP-AA5754铆接接头的失效位移76%～104%。

由图4可知，当铆接件材料为CFRP-AA5754时，铆钉高度为8]由图4可知，当铆接件材料为CFRP-AA5754时，铆钉高度为8]能量吸收值反映了自冲铆接接头的缓冲吸震能力，其直观表现为载荷-位移曲线与双坐标轴所围成的面积。使用Origin软件中数学分析下的积分功能来计算各组试件的能量吸收值，从而判断各组接头的吸震能力。图5为接头能量吸收均值和最大载荷均值双Y柱状图，可以推断出：当铆接件材料为CFRP-AA5754时，铆钉高度为7 mm的铆接接头的能量吸收均值为18.9 J,而铆钉高度为8 mm的铆接接头的能量吸收均值比其高23.3%,铆钉高度为9 mm 的铆接接头的能量吸收均值比其高79.4%;铆钉高度为7 mm的铆接接头的最大载荷均值为3 kN,铆钉高度为8 mm的铆接接头的最大载荷比其高20%,铆钉高度为9 mm的铆接接头的最大载荷比其高43.3%。当铆接件材料为GFRP-AA5754时，铆钉高度为7 mm的铆接接头的能量吸收均值为15.8 J,铆钉高度为8 mm的铆接接头的能量吸收均值比其高51.3%,铆钉高度为9 mm的铆接接头的能量吸收均值比其高91.1%;铆钉高度为7 mm的铆接接头的最大载荷均值为3.8 kN,铆钉高度为8 mm 的铆接接头的最大载荷比其高18.4%,铆钉高度为9 mm的铆接接头的最大载荷比其高34.2%。由图5可知，对于同种类型的铆接件而言，其能量吸收均值和最大载荷均值均随着铆钉高度的增大而增大。

图5 两种自冲铆接接头的能量吸收均值和最大载荷 均值双柱状图   下载原图

Fig.5 Double histograms of energy absorption mean and the maximum load mean for two kinds of self-piercing riveted joints

(a) CFRP-AA5754 (b) GFRP-AA5754

2.3 失效模式分析

在复合材料板与铝合金自冲铆接接头的拉伸-剪切试验中，由于复合材料的各向异性、复合材料增强纤维种类、纤维铺层、固化时间等因素的影响，接头失效的模式也呈现出多样性。在本文的拉伸-剪切试验过程中，双轴向玻璃纤维复合材料的铺层方式为[0/90]3s,一共铺6层；碳纤维复合材料的铺层为[0/90]5,一共铺10层单轴向碳纤维布。运用VARTM工艺制作成形后的复合材料板，厚度均为3]在复合材料板与铝合金自冲铆接接头的拉伸-剪切试验中，由于复合材料的各向异性、复合材料增强纤维种类、纤维铺层、固化时间等因素的影响，接头失效的模式也呈现出多样性。在本文的拉伸-剪切试验过程中，双轴向玻璃纤维复合材料的铺层方式为[0/90]3s,一共铺6层；碳纤维复合材料的铺层为[0/90]5,一共铺10层单轴向碳纤维布。运用VARTM工艺制作成形后的复合材料板，厚度均为3]通常情况下，纤维增强复合材料和铝合金自冲铆接接头在拉剪工况下，其接头的失效模式有：复合材料板断裂(Ⅰ型)、复合材料板与铆钉分离(Ⅱ型)、金属板与铆钉分离(Ⅲ型)及混合失效(Ⅳ型)。由图6可以清楚地观察到，对于CFRP-AA5754铆接件而言，其接头的失效模式均为复合材料板与铆钉分离(Ⅱ型),GFRP-AA5754铆接接头的失效模式均为金属板与铆钉分离(Ⅲ型)。对于CFRP-AA5754铆接接头而言，在铆钉内锁结构成形过程中，铆钉对其周围的碳纤维板造成了破坏，同时，由于碳纤维板材的强度小于接头的内锁强度，导致接头发生Ⅱ型失效，由于层间载荷超过其层间结合强度，发生纤维铺层的层间开裂，随着碳纤维束的不断开裂，接头的承载能力不断降低，直至失效；铆钉高度越高，CFRP-AA5754铆接接头失效时，碳纤维板的破坏程度越严重。对于GFRP-AA5754铆接接头而言，由于玻璃纤维板材的强度大于接头的内锁强度，接头的机械内锁结构在拉伸载荷的作用下发生失效，导致接头发生Ⅲ型失效。

图6 两种自冲铆接接头的失效模式

Fig.6 Failure modes for two kinds of self-piercing riveting joints

(a) CFRP-AA5754 (b) GFRP-AA5754

3结论

(1)铆钉高度越高，AA5754铝合金自冲铆接接头的成形截面越好。铆钉高度会对CFRP-AA5754和GFRP-AA5754铆接接头的初始刚度产生影响。对于铆钉高度为7和9](1)铆钉高度越高，AA5754铝合金自冲铆接接头的成形截面越好。铆钉高度会对CFRP-AA5754和GFRP-AA5754铆接接头的初始刚度产生影响。对于铆钉高度为7和9](2)铆钉高度相同时，GFRP-AA5754铆接接头的最大静载荷比CFRP-AA5754铆接接头的最大静载荷比高约25%,而CFRP-AA5754铆接接头比GFRP-AA5754铆接接头具有更大的失效位移，两者的能量吸收值差距不大；铆接材料相同时，铆钉高度越大，铆接接头的承载能力越大，铆接接头的最大载荷均值随之变大，同时，铆接接头的能量吸收能力也显著提高。

(3)CFRP-AA5754铆接件的各组试件失效时，3组接头的失效，均为复合材料板与铆钉分离(Ⅱ型)的失效模式，上板材料纤维丝断裂以及层间开裂；铆钉高度越高，接头失效后上板碳纤维材料的破坏程度越严重；GFRP-AA5754铆接接头中的薄弱位置为机械内锁结构，接头失效模式表现为金属板与铆钉分离(Ⅲ型)。

来源：期刊-《锻压技术》；作者：黄志超 罗健 汪伟（华东交通大学材料科学与工程学院）