D0I:10.13374/i.issnl00113.2008.12.015 第30卷第12期 北京科技大学学报 Vol.30 No.12 2008年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dee.2008 表面处理对胶粘剂/金属界面疲劳性能的影响 张颖怀许立宁路民旭 北京科技大学腐蚀与防护中心，北京100083 摘要对碳钢表面分别进行硅烷和磷化处理，然后用环氧树脂胶粘剂粘接，研究了不同表面处理的胶接接头力学性能，分 析了金属表面处理方法对胶粘剂/金属界面疲劳性能的影响·在胶接接头施加疲劳载荷，测量了胶接接头疲劳前后的强度位 移曲线：对比疲劳前后界面剪切强度的变化，采用断裂力学理论分析了界面裂纹扩展过程。结果表明：表面经硅烷处理后，界 面粘接强度最大，耐疲劳性能最好.胶接接头的失效通常在界面发生，能量可以通过裂尖扩展释放，也可以通过粘接层的塑性 变形释放· 关键词胶接接头；界面：表面处理；粘接性能：力学性能 分类号TG491 Effect of surface treatment on the fatigue performance of adhesive/metal interface ZHA NG Yinghuai.XU Lining.LU Minxu Corrosion and Protection Center,University of Science and Technology Beijing:Beijing 100083,China ABSTRACI Metal surfaces were treated by silane,phosphate and untreated respectively.and then adhered by epoxy resin.The mechanical properties of the adhesive joints by different treatment methods were investigated and the effect of surface treatment on the fatigue performance of the adhesive/metal interface was analyzed.The stress"strain curves of the adhesive joints were compared before and after fatigue load was applied on the joints.Crack propagation in the interface was discussed on the basis of fracture mechanics. The results show that the fatigue resistance of silane-treated samples is the best and the adhesive strength is the greatest.Adhesion failure always initiates at the interface.Energy can release through propagation of crack tips and also can through plastic deformation of the adhesive layer. KEY WORDS adhesive joint:interface:surface pretreatment:adhesive performance:mechanical properties 埋地管道外防腐层在服役过程中遭受的疲劳载 处理方法，应用到工程实践中去， 荷，会导致界面脱落，广泛使用的粘接件（不采用螺 1实验部分 栓紧固)中胶粘剂/金属粘接界面是否具有很好的耐 疲劳性、耐腐蚀性直接与界面粘接强度有关，国外 1.1实验材料 对胶接接头在疲劳过程中裂纹扩展规律研究较多， 双组分胶粘剂，其中主剂为环氧树脂胶粘剂，型 但对胶接接头界面的静载破坏与疲劳破坏之间的内 号为HWH53-20,与室温固化剂采用4：1比例混 在联系及表面处理对提高界面的粘接性、耐疲劳性 合，主剂和固化剂均为湖北吴为涂料涂装有限公司 及耐蚀性的微观机理研究较少， 生产，基体金属为普通碳钢（即Q235钢） 本文测试了不同表面处理的胶接接头的力学性 1.2试样制备 能，通过应力一应变曲线分析表面处理对胶粘剂/金 按照国标GB7124一86的测试方法，将厚度为 属界面的粘接性能、耐疲劳性能的影响，对界面破坏 2士0.1mm的基体金属切割成100mm×25mm的 机理进行深入分析，以便能筛选出行之有效的表面 长条状金属片，实验前试样表面经360#、600#和 收稿日期：2007-11-30修回日期：2008-01-24 作者简介：张颖怀(1972-)，女，博士研究生：路民旭(1954一)，男，教授，博士生导师，Emad:Lmmx123@126.com
表面处理对胶粘剂／金属界面疲劳性能的影响 张颖怀 许立宁 路民旭 北京科技大学腐蚀与防护中心北京100083 摘 要 对碳钢表面分别进行硅烷和磷化处理然后用环氧树脂胶粘剂粘接．研究了不同表面处理的胶接接头力学性能分 析了金属表面处理方法对胶粘剂／金属界面疲劳性能的影响．在胶接接头施加疲劳载荷测量了胶接接头疲劳前后的强度－位 移曲线．对比疲劳前后界面剪切强度的变化采用断裂力学理论分析了界面裂纹扩展过程．结果表明：表面经硅烷处理后界 面粘接强度最大耐疲劳性能最好．胶接接头的失效通常在界面发生能量可以通过裂尖扩展释放也可以通过粘接层的塑性 变形释放． 关键词 胶接接头；界面；表面处理；粘接性能；力学性能 分类号 TG491 Effect of surface treatment on the fatigue performance of adhesive／metal interface ZHA NG Y inghuaiXU LiningLU Minxu Corrosion and Protection CenterUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China ABSTRACT Metal surfaces were treated by silanephosphate and untreated respectivelyand then adhered by epoxy resin．T he mechanical properties of the adhesive joints by different treatment methods were investigated and the effect of surface treatment on the fatigue performance of the adhesive／metal interface was analyzed．T he stress-strain curves of the adhesive joints were compared before and after fatigue load was applied on the joints．Crack propagation in the interface was discussed on the basis of fracture mechanics． T he results show that the fatigue resistance of silane-treated samples is the best and the adhesive strength is the greatest．Adhesion failure always initiates at the interface．Energy can release through propagation of crack tips and also can through plastic deformation of the adhesive layer． KEY WORDS adhesive joint；interface；surface pretreatment；adhesive performance；mechanical properties 收稿日期：2007-11-30 修回日期：2008-01-24 作者简介：张颖怀（1972－）女博士研究生；路民旭（1954－）男教授博士生导师E-mail：Lumx123＠126．com 埋地管道外防腐层在服役过程中遭受的疲劳载 荷会导致界面脱落．广泛使用的粘接件（不采用螺 栓紧固）中胶粘剂／金属粘接界面是否具有很好的耐 疲劳性、耐腐蚀性直接与界面粘接强度有关．国外 对胶接接头在疲劳过程中裂纹扩展规律研究较多 但对胶接接头界面的静载破坏与疲劳破坏之间的内 在联系及表面处理对提高界面的粘接性、耐疲劳性 及耐蚀性的微观机理研究较少． 本文测试了不同表面处理的胶接接头的力学性 能通过应力－应变曲线分析表面处理对胶粘剂／金 属界面的粘接性能、耐疲劳性能的影响对界面破坏 机理进行深入分析以便能筛选出行之有效的表面 处理方法应用到工程实践中去． 1 实验部分 1∙1 实验材料 双组分胶粘剂其中主剂为环氧树脂胶粘剂型 号为 HWH53－20与室温固化剂采用4∶1比例混 合．主剂和固化剂均为湖北昊为涂料涂装有限公司 生产．基体金属为普通碳钢（即 Q235钢）． 1∙2 试样制备 按照国标 GB 7124－86的测试方法将厚度为 2±0∙1mm 的基体金属切割成100mm×25mm 的 长条状金属片．实验前试样表面经360＃、600＃ 和 第30卷 第12期 2008年 12月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．30No．12 Dec．2008 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2008．12．015
第12期 张颖怀等：表面处理对胶粘剂/金属界面疲劳性能的影响 ,1339 1200*砂纸逐级打磨，去离子水冲洗，吹干，用丙酮 耐疲劳性能.实验测试温度均为24℃左右，疲劳实 除油，制备了三种试样：未经表面化学处理试样（简 验在SCHENCK一63型电液伺服疲劳试验机上进 称“空样”)、表面磷化处理试样和表面硅烷处理试 行，采用恒位移控制，最大载荷为胶接接头静强度的 样.环氧胶粘剂与固化剂按4：1的比例均匀混合 25%,应力比为0.1，循环频率2z,波形为正弦波 后，均匀地刷涂在金属试片表面上，涂敷面积 对三种试样分别做500,1000,5000,10000,15000， (12.5士0.5)mm×25mm,两片金属试片按此长度 20000次疲劳循环，每种试样在这些周次的循环下， 单搭粘接，以重物压上，确保粘接牢固，胶粘剂在室 疲劳载荷均为其静载的25%，空样循环载荷均为 温25℃，相对湿度30%条件下充分干燥，固化时间 3.2N,硅烷处理试样循环载荷均为5.2N,磷化处理 24h.用垫片粘接试样另外两端，保证拉剪时对试样 试样循环载荷均为4.6N,静态拉伸剪切实验在 施加均衡载荷（如图1所示）·每个数据点测试五个 MTS810材料试验机上进行，试件的拉伸速率为 平行试样，然后取平均值. 0.02mms,试件变形用电子引伸计测量，测量静 127.5mm 态拉剪破坏的强度一位移曲线，疲劳试样每个实验 12.5mm 点有七个平行试样，静拉试样每个实验点有五个平 -200um45 行试样. 30 mm 2实验结果及分析 图1金属单搭粘接试样结构 Fig.I Geometry of a single lap metal joint 图2为空样疲劳后，进行静态剪切拉伸得出的 强度位移曲线。从图中看出粘接界面处胶粘剂的 硅烷处理方法：将甲醇、硅烷偶联剂K560和 断裂为脆性断裂，没有发生塑性形变，即随着应变 去离子水按体积比85：10：15混合，用乙酸将溶液 的增大，载荷呈直线上升，到达最高点后立即降到 pH值调节在4~6.8之间，水解48h,制成硅烷溶 零，表明界面一但失效，立即断裂.根据Griffith理 液.打磨好的试样在硅烷溶液中浸泡2min,后在 论四)，脆性断裂是材料中裂纹扩展的结果，即裂纹 150℃下固化1h. 端部产生的应力集中效应，致使裂纹扩展而断裂， 磷化处理配方：磷酸二氢钠25~30gL,磷酸 8 5一8mLL1,硝酸钠3~6gL-1,酒石酸1gL1, 一0次循环 氟化钠1gL1,柠檬酸1gL-和复合促进剂2.5~ 975次循环 1350次循环 3.5gL1,其余为水. 1800次循环 5000次循环 室温下将打磨好的试样放在磷化液中浸泡lh, 取出后马上用去离子水冲洗试样表面，尽可能把表 面的磷化液冲洗干净，电吹风冷风吹干， 磷化处理后要进行硫酸铜点滴实验山.(1)点 滴液的配制：0.25molL-1CuS04·5H20溶液 0.0500.050.100.150.200.250.300350.40 位移mm 40mL,10%NaCl溶液20mL,0.1molL-1HCl溶 液0.8mL,三种溶液混合后即可使用，(2)检测方 图2空样疲劳后进行拉伸剪切实验强度一位移曲线 法：用脱酯棉蘸上酒精，在冷却至15~25℃的磷化 Fig.2 Strength-displacement curves of blank samples in shear and tension test after fatique 膜上擦拭，以除去杂质、尘埃.待酒精挥发后，即在 磷化膜表面滴上数滴点蚀液，同时启动秒表，记录液 硅烷处理试样强度位移曲线变化很大，如图3 滴由天蓝色变为土红色的时间，时间越长，耐蚀性 所示，界面处胶粘剂的断裂是韧性断裂，存在明显 越好 的屈服现象，发生了塑性形变.从图中可知，试样经 1.3实验方法 历较少周次的疲劳载荷后，塑性形变大，随着载荷 每一种表面处理试样分为两组：一组直接测试 周次的增多，剪切位移逐渐减小，但都发生了塑性形 静态拉伸剪切强度：另一组先对其施加一定周次的 变.磷化处理试样的强度一位移曲线与前两者又有 疲劳循环载荷（但粘接接头没有发生断裂），再对疲 所不同，图4所示·从图中看静载破坏和疲劳载荷 劳后的试样进行静态剪切拉伸，测试其剩余强度， 加载周次较少时(103次)，试样的强度一位移曲线有 目的是对比经不同表面处理胶接接头的粘接强度及 明显屈服点，为韧性断裂；而疲劳载荷周次较多时
1200＃砂纸逐级打磨去离子水冲洗吹干用丙酮 除油．制备了三种试样：未经表面化学处理试样（简 称“空样”）、表面磷化处理试样和表面硅烷处理试 样．环氧胶粘剂与固化剂按4∶1的比例均匀混合 后均 匀 地 刷 涂 在 金 属 试 片 表 面 上涂 敷 面 积 （12∙5±0∙5） mm×25mm两片金属试片按此长度 单搭粘接以重物压上确保粘接牢固．胶粘剂在室 温25℃相对湿度30％条件下充分干燥固化时间 24h．用垫片粘接试样另外两端保证拉剪时对试样 施加均衡载荷（如图1所示）．每个数据点测试五个 平行试样然后取平均值． 图1 金属单搭粘接试样结构 Fig．1 Geometry of a single lap metal joint 硅烷处理方法：将甲醇、硅烷偶联剂 KH－560和 去离子水按体积比85∶10∶15混合用乙酸将溶液 pH 值调节在4～6∙8之间水解48h制成硅烷溶 液．打磨好的试样在硅烷溶液中浸泡2min后在 150℃下固化1h． 磷化处理配方：磷酸二氢钠25～30g·L －1磷酸 5～8mL·L －1硝酸钠3～6g·L －1酒石酸1g·L －1 氟化钠1g·L －1柠檬酸1g·L －1和复合促进剂2∙5～ 3∙5g·L －1其余为水． 室温下将打磨好的试样放在磷化液中浸泡1h 取出后马上用去离子水冲洗试样表面尽可能把表 面的磷化液冲洗干净电吹风冷风吹干． 磷化处理后要进行硫酸铜点滴实验［1］．（1） 点 滴液 的 配 制：0∙25mol·L －1 CuSO4·5H2O 溶 液 40mL10％ NaCl 溶液20mL0∙1mol·L －1 HCl 溶 液0∙8mL三种溶液混合后即可使用．（2） 检测方 法：用脱酯棉蘸上酒精在冷却至15～25℃的磷化 膜上擦拭以除去杂质、尘埃．待酒精挥发后即在 磷化膜表面滴上数滴点蚀液同时启动秒表记录液 滴由天蓝色变为土红色的时间．时间越长耐蚀性 越好． 1∙3 实验方法 每一种表面处理试样分为两组：一组直接测试 静态拉伸剪切强度；另一组先对其施加一定周次的 疲劳循环载荷（但粘接接头没有发生断裂）再对疲 劳后的试样进行静态剪切拉伸测试其剩余强度． 目的是对比经不同表面处理胶接接头的粘接强度及 耐疲劳性能．实验测试温度均为24℃左右．疲劳实 验在 SCHENCK－63型电液伺服疲劳试验机上进 行采用恒位移控制最大载荷为胶接接头静强度的 25％应力比为0∙1循环频率2Hz波形为正弦波． 对三种试样分别做500100050001000015000 20000次疲劳循环每种试样在这些周次的循环下 疲劳载荷均为其静载的25％．空样循环载荷均为 3∙2N硅烷处理试样循环载荷均为5∙2N磷化处理 试样循环载荷均为4∙6N．静态拉伸剪切实验在 MTS 810材料试验机上进行试件的拉伸速率为 0∙02mm·s －1试件变形用电子引伸计测量测量静 态拉剪破坏的强度－位移曲线．疲劳试样每个实验 点有七个平行试样静拉试样每个实验点有五个平 行试样． 2 实验结果及分析 图2为空样疲劳后进行静态剪切拉伸得出的 强度－位移曲线．从图中看出粘接界面处胶粘剂的 断裂为脆性断裂没有发生塑性形变．即随着应变 的增大载荷呈直线上升到达最高点后立即降到 零表明界面一但失效立即断裂．根据 Griffith 理 论［2］脆性断裂是材料中裂纹扩展的结果即裂纹 端部产生的应力集中效应致使裂纹扩展而断裂． 图2 空样疲劳后进行拉伸剪切实验强度－位移曲线 Fig．2 Strength-displacement curves of blank samples in shear and tension test after fatigue 硅烷处理试样强度－位移曲线变化很大如图3 所示．界面处胶粘剂的断裂是韧性断裂存在明显 的屈服现象发生了塑性形变．从图中可知试样经 历较少周次的疲劳载荷后塑性形变大．随着载荷 周次的增多剪切位移逐渐减小但都发生了塑性形 变．磷化处理试样的强度－位移曲线与前两者又有 所不同图4所示．从图中看静载破坏和疲劳载荷 加载周次较少时（103 次）试样的强度－位移曲线有 明显屈服点为韧性断裂；而疲劳载荷周次较多时 第12期 张颖怀等： 表面处理对胶粘剂／金属界面疲劳性能的影响 ·1339·
.1340 北京科技大学学报 第30卷 (104次)，界面处为脆性断裂.这是因为磷化处理 导致的界面脱粘的位移也会偏离界面，在胶粘剂本 后，增加了界面的粘接强度，经较少次疲劳后生成的 体中生成微小裂纹， 裂纹少，施加静态剪切力后，主要通过塑性形变来分 担应力集中，所以拉剪实验的破坏形式为韧性断 #1 裂).当加载周次较多时，界面处生成了过多裂纹， E41,1 分担应力集中的方式以裂纹扩展为主，导致其脆性 E2H.va 断裂[].硅烷处理层能够提高弱界面层的粘接强 2 度，以致于界面不会由于施加了最大载荷而立即失 图5界面处裂纹尖端的形貌 效[]，即强度位数曲线中强度到达最高点（图3所 Fig-5 Geometry of an interface crack between two materials.1 示)后没有立即变为0，而是降下一小段弧形之后再 and2年 降为最低，从而提高了其伸长率，即发生了塑性形 Orowan!8]提出粘接界面发生断裂的前提是有 变 足够能量释放，使界面处裂纹不断扩展，最终生成新 20 断裂面，裂纹扩展需要能量的用G表示.界面断裂 过程中断裂能量来自于两方面能量吸收过程，一处 发生在裂纹尖端Gp,另一处发生在脱粘区域周围 (图6中红色虚线下的位置)·裂纹尖端周围断裂能 ·0次循环 500次循环 量Gp直接体现界面粘接强度.最终能量通过裂纹 -1000次循环 ·5000次循环 尖端扩展和脱粘部位附近粘接层的塑性形变释放 10000次循环 0.100.10.2030.40.50.60.7 钢 位移mm 胶粘剂 图3硅烷处理试样被劳后进行拉伸剪切实验的强度位移曲线 Fig.3 Strength-displacement curves of silane treated samples in shear and tension test after fatique 钢 图6高分子/金属粘接界面层能量耗散示意图 一0次循环 20 一500次循环 Fig.6 Schematic of energy dissipation process in polymer/metal in 1000次循环 terface 一5000次循环 一10000次循环 15000次循环 图7~9为对三种试样分别施加了疲劳载荷后 的剩余强度.从图中看出剩余强度总体呈上升趋 势，并且有的剩余强度高于未疲劳的试样. 17 16 0.1020.30.40.50.607 位移mm 图4磷化试样疲劳后进行拉伸剪切实验的强度一位移曲线 4 Fig-4 Strength displacement curves of phosphorization treated sam- ·疲劳后剩余强度 ples in shear and tension test after fatigue 12 ◆未做疲劳的纯剪切拉伸强度 Dundurs[指出，裂纹尖端在界面处扩展过程受 11 到两个方向力的合力，即水平方向的剪切力和垂直 4000 8000 1200016000 循环次数 方向的正应力，如图5所示 当裂纹尖端脱粘部位扩展无纵向拉伸分量（即 图7空样疲劳后剩余强度 =0)时，界面所受应力σ直接导致裂尖向前扩展， Fig.7 Residual strength of blank samples after fatigue 发生界面破坏.当（≠0）时，即界面处存在垂直方 磷化试样伸长率随着疲劳次数增加逐渐减小， 向的正应力，表明界面处的应力发生振动，而由应力 而剩余强度则增加，文献表明)经多次疲劳循环后
（104 次）界面处为脆性断裂．这是因为磷化处理 后增加了界面的粘接强度经较少次疲劳后生成的 裂纹少施加静态剪切力后主要通过塑性形变来分 担应力集中所以拉剪实验的破坏形式为韧性断 裂［3］．当加载周次较多时界面处生成了过多裂纹 分担应力集中的方式以裂纹扩展为主导致其脆性 断裂［4－5］．硅烷处理层能够提高弱界面层的粘接强 度以致于界面不会由于施加了最大载荷而立即失 效［6］即强度－位数曲线中强度到达最高点（图3所 示）后没有立即变为0而是降下一小段弧形之后再 降为最低从而提高了其伸长率即发生了塑性形 变． 图3 硅烷处理试样疲劳后进行拉伸剪切实验的强度－位移曲线 Fig．3 Strength-displacement curves of silane treated samples in shear and tension test after fatigue 图4 磷化试样疲劳后进行拉伸剪切实验的强度－位移曲线 Fig．4 Strength-displacement curves of phosphorization treated samples in shear and tension test after fatigue Dundurs ［7］指出裂纹尖端在界面处扩展过程受 到两个方向力的合力即水平方向的剪切力和垂直 方向的正应力如图5所示． 当裂纹尖端脱粘部位扩展无纵向拉伸分量（即 θ＝0）时界面所受应力 σ直接导致裂尖向前扩展 发生界面破坏．当（θ≠0）时即界面处存在垂直方 向的正应力表明界面处的应力发生振动而由应力 导致的界面脱粘的位移也会偏离界面在胶粘剂本 体中生成微小裂纹． 图5 界面处裂纹尖端的形貌 Fig．5 Geometry of an interface crack between two materials1＃ and2＃ Orowan ［8］提出粘接界面发生断裂的前提是有 足够能量释放使界面处裂纹不断扩展最终生成新 断裂面裂纹扩展需要能量的用 G 表示．界面断裂 过程中断裂能量来自于两方面能量吸收过程一处 发生在裂纹尖端 Gtip另一处发生在脱粘区域周围 （图6中红色虚线下的位置）．裂纹尖端周围断裂能 量 Gtip直接体现界面粘接强度．最终能量通过裂纹 尖端扩展和脱粘部位附近粘接层的塑性形变释放． 图6 高分子／金属粘接界面层能量耗散示意图 Fig．6 Schematic of energy dissipation process in polymer／metal interface 图7～9为对三种试样分别施加了疲劳载荷后 的剩余强度．从图中看出剩余强度总体呈上升趋 势并且有的剩余强度高于未疲劳的试样． 图7 空样疲劳后剩余强度 Fig．7 Residual strength of blank samples after fatigue 磷化试样伸长率随着疲劳次数增加逐渐减小 而剩余强度则增加．文献表明［9］经多次疲劳循环后 ·1340· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷
第12期 张颖怀等：表面处理对胶粘剂/金属界面疲劳性能的影响 ,1341 21.5 对于硅烷处理的试样，且经同样疲劳周次后，硅 21.0 。疲劳后剩余强度 烷处理试样的剩余强度明显高于磷化处理试样的 20.5 ◆未做疲劳的纯剪切拉伸强度 (见图8和图9)，表明硅烷处理的粘接强度大于磷 19.5 化处理的， 19.0 18.5 3结论 18.0 (1)对施加疲劳载荷后未处理试样、硅烷处理 17.5 17.0 试样和磷化处理试样进行静态拉伸，界面处胶粘剂 200040006000800010000 循环次数 的断裂分别为脆性断裂、韧性断裂和韧性转向脆性 断裂，表明硅烷处理试样的界面耐疲劳性能最好，磷 图8硅烷处理试样疲劳后剩余强度 化次之 Fig.8 Residual strength of silane treated samples after fatigue (2)三种表面处理的试样经过相同疲劳周次 22 ·疲劳后剩余强度 后，硅烷处理的剩余强度大，表明其耐剥离性能和粘 21 ·未做疲劳的纯剪切拉伸强度 接性能较好， (3)胶接接头的断裂通常在界面处发生·界面 19 的断裂或者发生在裂纹尖端，使其扩展；或者发生在 18 脱粘区域周围，使其发生塑性形变 17 16 参考文献 [1]LeiZC.Hu MZ.Phosphorizing Treatment of Metal.Beijing: 5000100001500020000 China Machine Press,1992:62 循环次数 (雷作铖，胡梦珍，金属的磷化处理，北京：机械工业出版社， 图9磷化处理试样疲劳后利余强度 1992.62) Fig.9 Residual strength of phosphorization treated samples after fa- [2]FuZ.Macromolecule Material Tension and Destroy Behavior Beijing:Chemical Industry Press,2005:39 tique (傅政.高分子材料强度及破坏行为·北京：化学工业出版社 界面处胶粘剂与金属之间形成裂纹，导致韧性降低， 2005.39) [3]Underhill P R.Quesnay DL.The dependence of the fatique life 从而伸长率降低，静态拉伸时界面处的裂纹是应力 of adhesive joints on surface preparation.Int J A dhes Adhes, 集中点，裂纹先在界面处生成，进而胶粘剂本体内 2006.26(5):62 生成裂纹，当本体裂纹扩展到一定程度与界面处裂 [4]Loh W K.Crocomber A D.The effect of moisture degradation on the failure locus and fracture energy of an epoxy-steel interface 纹连通时导致粘接接头断裂，如图10(a)所示；而对 Adhes Sci Technol.2002.16(11):1407 试样施加疲劳载荷时，不单在界面生成裂纹，而且还 [5]Pan H M.Huang S J.Adhesive action and theory of surface and 在胶粘剂本体中产生了大量小裂纹而不是少量大裂 interface (I)-Adhes China.2003.24(4):37 纹，疲劳后再拉伸，扩展众多的小裂纹比扩展少数 (潘慧铭，黄素娟，表面、界面的作用与粘接机理（三）·粘接， 2003,24(4):37) 大裂纹需的能量多0]，最终裂纹贯穿整个粘接接 [6]Brewis D M.Critchlow G W.Curtis C A.Cryoblasting as a pre- 头，此时的裂纹贯穿路径（如图10(b)所示）与 treatment to enhance adhesion to aluminium alloys:an initial 图10(a)相比明显变长，需要的断裂能高，从而使界 study.Int J Adhes Adhes.1999.19(4):253 [7]Dundurs J Edge-bonded dissimilar orthogonal elastic wedges. 面处的剩余强度高于静拉强度， Appl Mech,1969,650(36):134 [8]Xu F H.Macromolecule Material Mechanics Test-Beijing:Sci- ence Press.1987:320 微小裂纹 (许风和.高分子材料力学试验，北京：科学出版社，1987：320) 胶粘剂 断裂路径 [9]Xie Z B.Zhang S X,Zhou C H.et al.Investigation of red mud 界面 filling in CPE waterproof rolled sheet.Shandong Build Mater, 2004,25(3):23 (解竹柏，张书香，周春华，等.赤泥填充CPE防水卷材的研究 (a) (b) 山东建材，2004,25(3)：23) [10]Wen B Y.LiZZ,Quan Y.An introduction to toughening theo- 图10疲劳前(a)后(b)裂纹扩展模型 y.Plastic,1999,28(4).7 Fig.10 Crack propagation models before (a)and after(b)fatigue (温变英.李振中，权英.增韧理论概说.塑料，1999,28(4)：7)
图8 硅烷处理试样疲劳后剩余强度 Fig．8 Residual strength of silane-treated samples after fatigue 图9 磷化处理试样疲劳后剩余强度 Fig．9 Residual strength of phosphorization-treated samples after fatigue 界面处胶粘剂与金属之间形成裂纹导致韧性降低 从而伸长率降低．静态拉伸时界面处的裂纹是应力 图10 疲劳前（a）后（b）裂纹扩展模型 Fig．10 Crack propagation models before （a） and after （b） fatigue 集中点裂纹先在界面处生成进而胶粘剂本体内 生成裂纹当本体裂纹扩展到一定程度与界面处裂 纹连通时导致粘接接头断裂如图10（a）所示；而对 试样施加疲劳载荷时不单在界面生成裂纹而且还 在胶粘剂本体中产生了大量小裂纹而不是少量大裂 纹．疲劳后再拉伸扩展众多的小裂纹比扩展少数 大裂纹需的能量多［10］最终裂纹贯穿整个粘接接 头此 时 的 裂 纹 贯 穿 路 径 （如 图10（b）所示） 与 图10（a）相比明显变长需要的断裂能高从而使界 面处的剩余强度高于静拉强度． 对于硅烷处理的试样且经同样疲劳周次后硅 烷处理试样的剩余强度明显高于磷化处理试样的 （见图8和图9）表明硅烷处理的粘接强度大于磷 化处理的． 3 结论 （1） 对施加疲劳载荷后未处理试样、硅烷处理 试样和磷化处理试样进行静态拉伸界面处胶粘剂 的断裂分别为脆性断裂、韧性断裂和韧性转向脆性 断裂表明硅烷处理试样的界面耐疲劳性能最好磷 化次之． （2） 三种表面处理的试样经过相同疲劳周次 后硅烷处理的剩余强度大表明其耐剥离性能和粘 接性能较好． （3） 胶接接头的断裂通常在界面处发生．界面 的断裂或者发生在裂纹尖端使其扩展；或者发生在 脱粘区域周围使其发生塑性形变． 参 考 文 献 ［1］ Lei Z CHu M Z．Phosphorizing T reatment of Metal．Beijing： China Machine Press1992：62 （雷作铖胡梦珍．金属的磷化处理．北京：机械工业出版社 1992：62） ［2］ Fu Z． Macromolecule Material Tension and Destroy Behavior． Beijing：Chemical Industry Press2005：39 （傅政．高分子材料强度及破坏行为．北京：化学工业出版社 2005：39） ［3］ Underhill P RQuesnay D L．The dependence of the fatigue life of adhesive joints on surface preparation． Int J A dhes A dhes 200626（5）：62 ［4］ Loh W KCrocomber A D．The effect of moisture degradation on the failure locus and fracture energy of an epoxy-steel interface． A dhes Sci Technol200216（11）：1407 ［5］ Pan H MHuang S J．Adhesive action and theory of surface and interface （Ⅲ）．A dhes China200324（4）：37 （潘慧铭黄素娟．表面、界面的作用与粘接机理（三）．粘接 200324（4）：37） ［6］ Brewis D MCritchlow G WCurtis C A．Cryoblasting as a pretreatment to enhance adhesion to aluminium alloys：an initial study．Int J A dhes A dhes199919（4）：253 ［7］ Dundurs J．Edge-bonded dissimilar orthogonal elastic wedges．J Appl Mech1969650（36）：134 ［8］ Xu F H．Macromolecule Material Mechanics Test．Beijing：Science Press1987：320 （许凤和．高分子材料力学试验北京：科学出版社1987：320） ［9］ Xie Z BZhang S XZhou C Het al．Investigation of red mud filling in CPE waterproof rolled sheet．Shandong Build Mater 200425（3）：23 （解竹柏张书香周春华等．赤泥填充 CPE 防水卷材的研究． 山东建材200425（3）：23） ［10］ Wen B YLi Z ZQuan Y．An introduction to toughening theory．Plastic199928（4）：7 （温变英李振中权英．增韧理论概说．塑料199928（4）：7） 第12期 张颖怀等： 表面处理对胶粘剂／金属界面疲劳性能的影响 ·1341·