粘接强度的检验

11.2粘接强度的检验评价粘接质量最常用的方法就是测定粘接强度。表征胶粘剂性能往往都要给出强度数据，粘接强度是胶粘技术当中一项重要指标，对于选用胶粘剂、研制新胶种、进行接头设计、改进粘接工艺、正确应用胶粘结构很有指导意义。粘接强度是指胶粘体系破坏时所需要的应力，目前主要是通过破坏试验测得的，当然还有无损检验的方法，只是目前还不很成熟。了解粘接强度的基本概念、熟悉胶粘破坏的一般类型、研究胶粘强度的影响因素、学会粘接强度的测定方法，对于掌握和运用胶粘技术是很有必要的。11.2.1粘接强度的基本概念胶粘结构在使用时，总是要求具有最佳的力学性能，目前评定胶粘体系力学性能优劣的主要指标是粘接强度，研究粘接强度有着重要的理论和实际意义。1．粘接强度粘接强度是指在外力作用下，使胶粘件中的胶粘剂与被粘物界面或其邻近处发生破坏所需要的应力，粘接强度又称为胶接强度。粘接强度是胶粘体系破坏时所需要的应力，其大小不仅取决于粘合力、胶粘剂的力学性能、被粘物的性质、粘接工艺，而且还与接头形式、受力情况（种类、大小、方向、频率）、环境因素（温度、湿度、压力、介质）和测试条件、实验技术等有关。由此可见，粘合力只是决定粘接强度的重要因素之一，所以粘接强度和粘合力是两个意义完全不同的概念，绝不能混为一谈。2．粘接接头的受力形式粘接接头在外力作用下胶层所受到的力，可以归纳为剪切、拉伸、不均匀扯离和剥离4种形式，见图11-4所示。图11-4粘接接头的受力类型（1）剪切。外力大小相等、方向相反，基本与粘接面平行，并均匀分布在整个粘接面上。（2）拉伸。亦称均匀扯离，受到方向相反拉力的作用，垂直于粘接面，并均匀分布在整个粘接面上。（3）不均匀扯离。也叫劈裂，外力作用的方向虽然也垂直于粘接面，但是分布不均匀。（4）剥离。外力作用的方向与粘接面成一定角度，基本分布在粘接面的一条直线上上述4种力，在同一胶粘体系中很有可能有几种力同时存在，只是何者为主的问题。3．粘接强度的分类根据粘接接头受力情况不同，粘接强度具体可以分为剪切强度、拉伸强度、不均匀扯离强度、剥离强度、压缩强度、冲击强度、弯曲强度、扭转强度、疲劳强度、抗蠕变强度等。（1）剪切强度剪切强度是指粘接件破坏时，单位粘接面所能承受的剪切力，其单位用兆帕（MPa）表示。剪切强度按测试时的受力方式又分为拉伸剪切、压缩剪切、扭转剪切和弯曲剪切强度等。不同性能的胶粘剂，剪切强度亦不同，在一般情况下，韧性胶粘剂比柔性胶粘剂的剪切强度大。大量试验表明，胶层厚度越薄，剪切强度越高。测试条件影响最大的是环境温度和试验速度，随着温度升高剪切强度下降，随着试验速度的减慢剪切强度降低，这说明温度和速度具有等效关系，即提高测试温度相当于降低加载速度。（2）拉伸强度拉伸强度又称均匀扯离强度、正拉强度，是指粘接受力破坏时，单位面积所承受的拉伸力，单位用兆帕（MPa）表示。因为拉伸比剪切受力均匀得多，所以一般胶粘剂的拉伸强度都比剪切强度高得很多。在实际测定时，试件在外力作用下，由于胶粘剂的变形比被粘物大，加之外力作用的不同轴性，很可能产生剪切，也会有横向压缩，因此，在扯断时就可能出现同时断裂。若能增加试样的长度和减小粘接面积，便可降低扯断时剥离的影响，使应力作用分布更为均匀。弹性模量、胶层厚度、试验温度和加载速度对拉伸强度的影响基本与剪切强度相似。（3）剥离强度剥离强度是在规定的剥离条件下，使粘接件分离时单位宽度所能承受的最大载荷，其单位用kN/m表示。剥离的形式多种多样，一般可分为L型剥离、U型剥离、T型剥离和曲面剥离，如图11-5所示。图11-5剥离的几种形式随着剥离角的改变，剥离形式也变化。当剥离角小于或等于90º时为L型剥离，大于90º或等于180º时为U型剥离。这两种形式适合于刚性材料和挠性材料粘接的剥离。T型剥离用于两种挠性材料粘接时的剥离。剥离强度受试件宽度和厚度、胶层厚度、剥离强度、剥离角度等因素影响。（4）不均匀扯离强度不均匀扯离强度表示粘接接头受到不均匀扯离力作用时所能承受的最大载荷，因为载荷多集中于胶层的两个边缘或一个边缘上，故是单位长度而不是单位面积受力，单位是kN/m。（5）冲击强度冲击强度意指粘接件承受冲击载荷而破坏时，单位粘接面积所消耗的最大功，单位为kJ/m2。按照接头形式和受力方式的不同，冲击强度又分为弯曲冲击、压缩剪切冲击、拉伸剪切冲击、扭转剪切冲击和T型剥离冲击强度等。冲击强度的大小受胶粘剂韧性、胶层厚度、被粘物种类、试件尺寸、冲击角度、环境湿度、测试温度等影响。胶粘剂的韧性越好，冲击强度越高。当胶粘剂的模量较低时，冲击强度随胶层厚度的增加而提高。（6）持久强度持久强度就是粘接件长期经受静载荷作用后，单位粘接面积所能承受的最大载荷，单位用兆帕（MPa）表示。。持久强度受加载应力和试验温度的影响，随着加载应力和温度的提高持久强度下降。（7）疲劳强度疲劳强度是指对粘接接头重复施加一定载荷至规定次数不引起破坏的最大应力。一般把在10次时的疲劳强度称为疲劳强度极限。一般来说，剪切强度高的胶粘剂，其剥离、弯曲、冲击等强度总是较低的；而剥离强度大的胶粘剂，它的冲击、弯曲强度较高。不同类型的胶粘剂，各种强度特性也有很大差异。11.2.2拉伸剪切强度的测定方法1．金属与金属粘接剪切强度的测试（1）原理试样为单搭接结构，在试样的搭接面上施加纵向拉伸剪切力，测定试样能承受的最大负荷。搭接面上的平均剪应力为胶粘剂的金属对金属搭接的拉伸剪切强度，单位为MPa。（2）装置1）试验机。使用的试验机应使试样的破坏负荷在满标负荷的（15~85）%之间。试验机的力值示值误差不应大于1%。试验机应配备一副自动调心的试样夹持器，使力线与试样中心线保持一致。试验机应保证试样夹持器的移动速度在(5±1)mm/min内保持稳定。2）量具。测量试样搭接面长度和宽度的量具精度不低于0.05mm。3）夹具。胶接试样的夹具应能保证胶接的试样符合要求。在保证金属片不破坏的情况下，试样与试样夹持器也可用销、孔连接的方法。但不能用于仲裁试验。（3）试样1）除非另有规定，试样应符合图11-6的形状和尺寸。标准试样的搭接长度是（12.5±0.5）mm，金属片的厚度是(2.0±0.1)mm，试样的搭接长度或金属片的厚度不同对试验结果会有影响。图11-6试样形状和尺寸2）建议使用LY12-CZ铝合金、1Cr18Ni9Ti不锈钢、45碳钢、T2铜等金属材料。3）常规试验，试样数量不应少于5个。仲裁试验试样数量不应少于10个。对于高强度胶粘剂，测试时如出现金属材料屈服或破坏的情况，则可适当增加金属片厚度或减少搭接长度。两者中选择前者较好。测试时金属片所受的应力不要超过其屈服强度σS，金属片的厚度δ可按式（11-12）计算：δ＝（L·τ）/σS（11-12）式中：δ——金属片厚度；L——试样搭接长度；τ——胶粘剂拉伸剪切强度；σS——金属材料屈服强度（MPa）。（4）试样制备1）试样可用不带槽（如图11-7）或带槽（如图11-8）的平板制备，也可单片制备。图11-7标准试板图11-8可选试板2）胶接用的金属片表面应平整，不应有弯曲、翘曲、歪斜等变形。金属片应无毛刺，边缘保持直角。3）胶接时，金属片的表面处理、胶粘剂的配比、涂胶量、涂胶次数、晾置时间等胶接工艺以及胶粘剂的固化温度、压力、时间等均按胶粘剂的使用要求进行。4）制备试样都应使用夹具，以保证试样正确地搭接和精确地定位。5）切割已胶接的平板时，要防止试样过热，应尽量避免损伤胶接缝。（5）试验条件试样的停放时间和试验环境应符合下列要求：1）试样制备后到试验的最短时间为16h，最长时间为30d。2）试验应在温度为（23±2）℃、相对湿度为（45~55）%的环境中进行。3）对仅有温度要求的测试，测试前试样在试验温度下停放时间不应少于0.5h；对有温度、湿度要求的测试，测试前试样在试验温度下停放时间一般不应少于16h。（6）试验步骤1）用量具测量试样搭接面的长度和宽度，精确到0.05mm。2）把试样对称地夹在上下夹持器中，夹持处到搭接端的距离为（50±1）mm3）开动试验机，在(5±1)mm/min内，以稳定速度加载。记录试样剪切破坏的最大负荷，记录胶接破坏的类型（内聚破坏、粘附破坏、金属破坏）。（7）试验结果对金属搭接的胶粘剂拉伸剪切强度τ按式（11-13）计算，单位为MPa。τ=F/（b·l）（11-13）式中：F——试样剪切破坏的最大负荷；b——试样搭接面宽度；l——试样搭接面长度；试验结果以剪切强度的算术平均值、最高值、最低值表示。取3位有效数字。2．非金属与金属粘接剪切强度的测定非金属材料如橡胶、玻璃等与金属粘接的剪切强度测定，可采用在两片金属之间粘接非金属材料的方法。现以橡胶与金属粘接剪切强度的测定为例。橡胶的厚度为（2.0±0.3）mm，宽度为mm长度为（15±0.5）mm，金属板的规格为（70mm×20mm×2mm），搭接长度为15mm。粘接后的剪切试样件见图11-9所示。图11-9橡胶与金属粘接的剪切试件橡胶与金属粘接面的错位不应大于0.2mm。测试时应使试件中心线与试验机的施力轴线相一致，以（50±5）mm/min加载速度拉伸剪切，记录破坏时的最大负荷，按式（11-14）计算剪切强度τ，单位为MPa。τ=F/（b·l）（11-14）式中：F——破坏负荷；b——试件粘接面宽度；l——试件粘接面长度。该件不应少于5个，经取舍后不得少于原数的60%，取算术平均值，允许偏差为±15%。3．非金属材料粘接剪切强度的测定可仿效金属与金属粘接剪切强度测定方法进行。代表同一试验的试件不得少于原试验数量的60%，取算术平均值，有效数字保留3位。每一试件测得的数值，与平均值的偏差不行超过±5%。测定高低温的剪切强度，需将试件置于加热或冷却装置中，并在所要求的温度下保持（30~45）min，然后施力拉伸。11.2.3拉伸强度的测定方法1．金属粘接拉伸强度的测定测定金属粘接拉伸强度的最常用试件如图11-10所示。图11-10拉伸强度测定试件图11-11拉伸强度测定试件粘接加压装置试件两圆柱体的直径应一致，同轴度为±0.1mm，两粘接平面平行度为±0.2mm，加工粗糙度为5.0μm。试件粘接按工艺要求进行，为确保胶层厚度一致，可将φ0.1×(2～3)mm左右的铜丝在叠合前放入胶层内，以专用装置（见图11-11）定位固化。测定前从胶层两旁测量圆柱体的直径d（精确到1×10－6m）。测定时将试件装于拉力试验机的夹具上，调整施力中心线，使其与试件轴线相一致，以（10～20）mm/min的加载速度拉伸，拉断时记录破坏负荷，拉伸强度σ按式（11-15）计算，单位为MPa。。σ＝F／A（11-15）式中：F——试件破坏时的负荷；A——试件粘接面积，A=πd2/4。每组粘接试件不行少于5个，按允许偏差±15%取算术平均值，保留3位有效数字。如果需要测定高低温时的拉伸强度，应将试件和夹具一起放入加热或冷却装置内，在要求温度下保持（40~60）min，然后再进行测定。2．非金属与金属粘接拉伸强度的测定非金属与金属粘接拉伸强度的测定，采用两金属间夹一层非金属的方法。在此，介绍一下橡胶与金属粘接扯离强度的测定方法。橡胶厚度为(2±0.3)mm，粘接后的试件尺寸如图11-12所示。图11-12橡胶与金属粘接扯离强度的测定试件试件按工艺条件要求粘接，粘接面错位不应大于0.2mm。测试时将试件装在夹具上，调整位置使施力方向与粘接面垂直，以(50±5)mm/min的加载速度拉伸，记录破坏时的最大负荷，按式（11-16）计算扯离强度σ，单位为MPa。。σc＝F/A（11-16）式中：F——试件破坏时的负荷；A——粘接面积，A=πd2/4。试件不得少于5个，经取舍后不应少于原数量的60%，取其算术平均值，允许偏差为±10%。11.2.4剥离强度的测定方法1．挠性材料对刚性材料剥离强度极限的测定图11-13试样夹持装置按GB/T2790-1995标准进行测试。本标准规定了挠性材料与刚性材料粘合的胶接试样的180º剥离试验的装置、试样制备、试验步骤和结果处理。本标