目前，国内外学者对不同腐蚀环境下自冲铆接头的力学性能开展了相关研究。杨贵秋等[5]以酸性溶液作为腐蚀介质，对钢/铝压印-胶接复合接头开展了周浸加速腐蚀试验并分析了其静力学性能，结果表明，添加粘接剂可以有效提升压印接头的静强度。冯震等[6]通过盐雾腐蚀试验对不同腐蚀时长下铝合金自冲铆接头的静强度和疲劳特性开展了研究，结果表明：在1 080 h的腐蚀周期内，接头的静强度并未因受到腐蚀作用而降低，但短期盐腐蚀会改变接头的疲劳失效特征，且会导致接头产生多个疲劳裂纹源。Lim等[7]研究了AZ31B镁合金与热固性碳纤维增强聚合物的自冲铆接头在0.1 mol/L的NaCl溶液中的腐蚀行为，通过X射线断层扫描和SEM（scanning electron microscope，扫描电子显微镜）表征，发现接头搭接区的腐蚀程度不显著，说明腐蚀溶液对搭接区间隙的侵蚀作用有限。Qin等[8]通过静力学拉伸试验和表面分析，深入研究了电泳处理后铆接接头在中性盐雾环境中的腐蚀行为，结果表明：钢/铝铆接接头的腐蚀机制为电偶腐蚀和氧浓度极化腐蚀。Lai等[9]对TA1-Al5052铝合金自冲铆接头进行了持续时间不同的盐雾腐蚀试验并分析了腐蚀后接头的力学性能，结果表明：随着盐雾腐蚀时间的延长，接头的力学性能逐渐减弱，说明盐雾腐蚀作用对接头破坏模式的影响较大。Kotadia等[10]研究了5182纯锌铝与锌铝镁涂层DP590钢的自冲铆接头在盐性环境下的腐蚀情况，结果显示：腐蚀作用对接头的剪切性能产生了显著影响，且接头的失效机制受到涂层类型和预处理工艺的影响。Abe等[11]通过开展自冲铆接头和压印接头的盐雾腐蚀试验，发现钢板镀锌处理能够有效缓解腐蚀所引起的同质（钢/钢）、异质（钢/铝）接头静强度下降的问题。
1 接头的制备与试验方法
1.1 接头试件制备
图1
图2
表1 各组接头的名称和材料组成
Table 1
| 组别 | 上板 | 粘接剂 | 下板 |
|---|---|---|---|
| AA | AA5052铝合金 | 无 | AA5052铝合金 |
| DA | DP590双相钢 | AA5052铝合金 | |
| AJA | AA5052铝合金 | 3M-DP460环氧 树脂 | AA5052铝合金 |
| DJA | DP590双相钢 | AA5052铝合金 |
1.2 周浸腐蚀试验
根据GB/T 19746—2018《金属和合金的腐蚀 盐溶液周浸试验》[14]，配置0.02 mol/L的NaHSO₃溶液作为腐蚀介质，试验温度设为（25±2）℃。将每组接头按腐蚀周期（0、360、720、1 080 h）划分为4个小组。腐蚀试验以1 h为循环周期：浸润10 min，干燥50 min。腐蚀试验结束后，去除接头上的腐蚀产物，进行脱水处理，并放入恒温箱保温24 h。
1.3 静力学拉伸试验及SEM扫描
采用MTS Landmark 100型电液伺服材料试验机对各组接头试件进行准静态拉伸试验，以5 mm/min的恒定速度进行拉伸直至试件破坏。为减少拉伸过程中产生的附加扭矩干扰试验结果，在试件两端固定垫片。每一小组均测试8个试件并取相应均值。在完成静力学拉伸试验后，选用VEGA3 SCAN钨丝灯SEM对试件典型腐蚀特征表面的微观形貌进行观测。
2 接头的力学性能与腐蚀行为分析
2.1 载荷—位移曲线及刚度分析
自冲铆接头的刚度是指铆接点自锁结构抵抗由外力引起的连接界面滑移变形的能力，在载荷—位移曲线中表现为接头的载荷与位移之比[15]。AA组和DA组接头的载荷—位移曲线及刚度曲线如图3所示。根据图3，将接头的载荷—位移曲线分为3个阶段：弹性变形阶段、塑性变形阶段和失效阶段。对比不同腐蚀周期下的同组接头，发现腐蚀周期并未对AA组和DA组接头载荷—位移曲线的弹性变形阶段和塑性变形阶段产生较大影响，但会影响失效阶段的位移，且对异质接头的影响更为显著。这是由于接头的腐蚀程度和破坏位置不同，使得失效阶段上板铆接孔壁、自锁结构等在传递载荷时各个环节所能承受的强度不同，进而导致接头的失效位移发生变化[16]。通过观察发现，AA组和DA组接头在不同腐蚀周期下的刚度曲线均呈“下凹”型衰减趋势。在拉伸的初始阶段，这2组接头的刚度最大，表明该阶段接头自锁连接界面的相对滑移量最小；随着位移的增大，自锁连接界面的相对滑移量逐渐增大，导致接头的刚度迅速减小。由于异质板材的性能差异，DA组接头的刚度比AA组高。对比不同腐蚀周期下2组接头的刚度，发现腐蚀作用对AA组接头刚度的影响较小，但对DA组接头失效阶段的刚度影响显著，这主要是因为腐蚀作用下DA组接头的失效形式发生了转变。
图3
图3
AA组和DA组接头的载荷—位移曲线和刚度曲线
Fig.3
Load-displacement curves and stiffness curves of AA and DA group of joints
AJA组和DJA组接头的载荷—位移曲线及刚度曲线如图4所示。根据图4，将接头的载荷—位移曲线大致分为4个阶段：弹性变形阶段、粘接失效阶段、塑性变形阶段和铆接失效阶段。在弹性变形阶段，拉伸载荷先作用在粘接结构上；随着位移的增大，粘接结构迅速失效，拉伸载荷立即作用在自冲铆接结构上，接头进入塑性变形阶段，载荷—位移曲线呈先下降后上升的变化趋势[17]。相较于AA组、DA组接头，由于粘接剂的加入，AJA组、DJA组接头的刚度分别提高了45%和38%。这是由于粘接剂填充了接头搭接区连接界面的间隙，使得接头的整体性和紧密性更强，成形质量更优[18]，接头自锁连接界面的相对滑移量更小。对比同组接头在不同腐蚀周期下的刚度曲线，发现铆-粘复合接头的刚度在弹性变形阶段和粘接失效阶段的变化较为显著，表明粘接结构更易受腐蚀作用的影响。
图4
图4
AJA组和DJA组接头的载荷—位移曲线和刚度曲线
Fig.4
Load-displacement curves and stiffness curves of AJA and DJA group of joints
2.2 接头的稳定性及失效载荷分析
自冲铆接头的稳定性通常以其强度降低系数的波动程度来表征，受到连接板材材料、工艺参数、接头成形质量以及腐蚀周期等因素的影响。强度降低系数波动程度越小，表明接头稳定性越好，即受腐蚀作用的影响程度越小。Fiore等[19]将当前腐蚀周期下的失效载荷与未发生腐蚀时的失效载荷的比值定义为接头的强度降低系数。4组接头的强度降低系数变化曲线如图5所示。由图5可知，同质接头的强度降低系数呈现相似的变化趋势且波动程度均小于异质接头，表明同质接头受腐蚀作用的影响较小，接头具有较好的耐腐蚀性能。在异质接头中，DA组接头强度降低系数的波动程度较大，即稳定性较差，这与接头的失效过程有关[20]，说明DA组接头的失效形式可能会因腐蚀作用而发生了变化，而DJA组接头因有粘接剂的保护，其腐蚀程度较轻，稳定性较好。
图5
图5
各组接头强度降低系数的变化曲线
Fig.5
Variation curves of strength reduction coefficient of each group of joints
各组接头的失效载荷如图6所示。观察图6可知，未发生腐蚀时，AA组、DA组接头的最大失效载荷分别为4 951、4 511 N，AJA组、DJA组接头的最大失效载荷分别为5 225、5 760 N，粘接剂的加入使得接头的失效载荷分别提升了5.5%和27.7%，且粘接剂对异质接头失效载荷的提升幅度大于同质接头。这是因为粘接剂对异质接头基面粗糙度的提升作用比同质接头大[21]。随着腐蚀周期的延长，AA组接头的静强度未受到较大影响，原因是铝合金表面的氧化铝薄膜使得其耐腐蚀性能较好，且同质接头的电化学腐蚀作用较弱。AJA组和DJA组接头的失效载荷随腐蚀周期的延长呈递减趋势。这是因为铆-粘复合接头的剪切力在未腐蚀时以及腐蚀初期由粘接结构传递[22]；而在腐蚀中后期，粘接剂与板材连接的部分界面处发生剥离，导致粘接结构的抗剪强度降低，接头的失效载荷减小。
图6
2.3 接头的失效形式分析
图7
在本文试验中，同质接头（AA组和AJA组）的失效形式未随腐蚀周期的延长而发生转变，均为自锁失效。原因如下：一方面，铝合金基板的耐腐蚀性能使得上板铆钉孔壁和下板铆接点处的腐蚀较轻；另一方面，在拉伸过程中铆钉头处产生的弯矩使得搭接区上板末端逐渐发生翘曲变形[16]，自锁结构因同时受到剪切力和剥离力的作用而成为受载过程中的最薄弱点，最终脱离下板。异质接头（DA组和DJA组）的失效形式如图8所示。由图8可知，随着腐蚀周期的延长，DA组接头的失效形式由自锁失效转变为下板失效或铆钉失效。这是因为腐蚀作用会导致板材的强度降低[23]，而铆接点底部的材料较薄，腐蚀削弱了该区域的承载能力，尤其是在失效阶段承受较大剪切力时，该区域易发生断裂和脱落。此外，腐蚀溶液的渗入加剧了铆钉管腿与铆接孔壁之间的电化学腐蚀，进一步导致铆钉的抗剪强度下降，最终表现为铆钉失效。而DJA组接头在粘接剂的密封作用下腐蚀效应减弱，最终其失效形式未发生转变，仍为自锁失效。由于异质接头上板所采用的DP590双相钢的抗拉强度、抗剪强度较高，本次试验中未出现上板失效的情况。
图8
2.4 接头失效断口微观形貌分析
在自冲铆接头成形后，铆钉管腿外侧与上板铆接孔壁间以及上板与下板间的搭接处会形成缝隙。当腐蚀介质渗入缝隙时，缝隙处易发生严重的腐蚀，这是造成接头内部自锁结构破坏和力学性能变化的主要原因之一。
图9
图9
接头缝隙处的微观形貌
Ⅰ—腐蚀颗粒；Ⅱ—腐蚀凹坑；Ⅲ—片状腐蚀产物；Ⅳ—絮状腐蚀产物；Ⅴ—腐蚀产物堆积。
Fig.9
Microscopic morphology at the joint gap
观察位置1~8处的微观形貌可知，对于DA组接头，在未腐蚀（0 h）时，其下板铆接点处存在同向长条纤维状划痕，表明该区域在铆钉受剪拔出时与铆钉管腿发生剧烈剐蹭，导致该区域出现沿铆钉拔出方向的纤维状沟壑。在腐蚀初期（360 h），上板搭接区的腐蚀产物较未腐蚀时增多且分布不均匀，呈疏松的团簇状，搭接区不断堆积的腐蚀产物不仅增大了上、下两板之间的摩擦力，还对自锁结构起到了一定的保护作用，故接头的失效载荷增大；下板铆接点处有少量腐蚀颗粒（Ⅰ）堆积且伴随局部点腐蚀凹坑（Ⅱ），表明腐蚀溶液已通过搭接区缝隙渗入下板铆接点处并产生了一定的腐蚀效应。在腐蚀中期（720 h），上板搭接处的腐蚀区域增大且部分腐蚀产物脱落，降低了锈层对板材的保护能力。随着板间铆接点处的腐蚀加剧，铆钉与下板铆接点底部区域处于竞争状态，失效形式表现为铆钉失效或下板失效。铆钉断口表面呈现密集的球状颗粒，属于典型的脆性断裂失效特征，表明铆钉在扩张形成自锁结构时，铆钉管腿和铆钉盖连接区域产生了应力集中[24]。在腐蚀后期（1 080 h），上板搭接区处类似于初期团簇状形貌的腐蚀产物增多，这是因为上板搭接区的部分腐蚀产物在腐蚀中期脱落，搭接区因暴露于腐蚀溶液中而发生二次腐蚀；下板搭接区表面锈层出现微裂纹以及部分脱落，导致搭接区连接界面间的摩擦作用减弱，同时自锁结构内部遭到腐蚀破坏，造成接头失效载荷降低。观察位置9、10处的微观形貌可知，对于DJA组接头，在未腐蚀时（0 h），上板铆接孔壁呈现明显的划痕沟壑，划痕较长且较深，这是由铆接过程中铆钉刺穿上板并挤压该区域所导致的；下板铆接点处因铆钉管腿脱出而出现刮擦损伤。在腐蚀初期（360 h），腐蚀溶液沿铆钉头与上板接触面间的缝隙渗入接头并产生腐蚀效应，致使上板铆接孔壁表面出现少许片状腐蚀产物（Ⅲ），且腐蚀产物多集中在划痕沟壑内，这可能与腐蚀溶液沿划痕导向的侵蚀作用有关；下板粘接层表面出现了少许絮状腐蚀产物（Ⅳ）堆积，但由于下板仍被粘接层覆盖，减弱了腐蚀溶液对接头搭接区缝隙的腐蚀作用。在腐蚀中期（720 h），上板铆钉孔壁处的腐蚀产物增多且腐蚀区域增大，腐蚀产物不再集中于划痕沟壑内。在腐蚀后期（1 080 h），上板铆钉孔壁的划痕沟壑处出现体积较大的片状腐蚀产物堆积（Ⅴ）现象，局部腐蚀严重。下板粘接层在腐蚀中后期发生断裂且大面积脱落，并出现大量细小颗粒状腐蚀产物，随着腐蚀的进行，粘接剂与板材的部分连接界面出现剥离，粘接结构的强度不断降低。
3 结 论
本文以0.02 mol/L的NaHSO3溶液为腐蚀介质，通过静力学拉伸试验并借助SEM对自冲铆接头和铆-粘复合接头在酸性环境下的力学性能和腐蚀行为进行了对比分析，主要结论如下。
1）腐蚀周期并未对自冲铆接头载荷—位移曲线的弹性变形阶段和塑性变形阶段产生较大影响，但会影响失效阶段的位移，且对异质接头的影响更为显著；粘接剂的加入使得同质、异质接头的刚度分别提升了45%和38%。
2）随着腐蚀周期的延长，自冲铆接头的失效载荷受搭接区腐蚀产物的影响呈先增大后减小的变化趋势，粘接剂的加入使得同质、异质接头的失效载荷分别提升了5.5%和27.7%，且粘接剂对异质接头失效载荷的提升幅度高于同质接头；粘接结构对腐蚀作用更敏感，导致铆-粘复合接头的失效载荷随腐蚀的进行不断减小，腐蚀后期该类接头的强度由自锁结构提供。
3）异质接头的稳定性比同质接头差，同质接头的失效形式未随腐蚀周期的延长而发生转变，均为自锁失效。对于异质接头，自冲铆接头的失效形式随腐蚀周期的延长由自锁失效转变为下板失效或铆钉失效，而铆-粘复合接头的失效形式因粘接剂的加入而未发生转变。
4）对于接头上下板间搭接区缝隙处的腐蚀作用，可通过在板间加入粘接剂的方式来减弱；对于铆钉管腿外侧与上板铆钉孔壁间缝隙处的腐蚀作用，由于上板在被铆钉刺穿挤压过程中产生的刮痕对腐蚀有促进作用，这类腐蚀目前尚无有效的防护措施。
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