胶黏剂拉伸剪切强度试验方法分析

杨国腾，董 宇

（沈阳飞机工业（集团）有限公司，中国人民解放军驻沈阳飞机工业（集团）有限公司军事代表室，辽宁 沈阳 110850）

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胶黏剂拉伸剪切强度试验方法分析

杨国腾，董 宇

（沈阳飞机工业（集团）有限公司，中国人民解放军驻沈阳飞机工业（集团）有限公司军事代表室，辽宁 沈阳 110850）

介绍了国内外胶黏剂拉伸剪切强度的试验方法。分析了国内外试验方法试样尺寸、试验速度、夹持距离和搭接长度等参数的异同点，以及不同参数对试验结果的影响。

胶黏剂；拉伸剪切强度；方法分析

前言

随着结构胶黏剂的广泛使用，拉伸剪切强度已成为结构胶黏剂最基本的力学性能重要指标之一，拉伸剪切强度试验方法国内有HG2609、HB5184和GB/T7124，国外有ASTMD1002、BS5350 PC5、DIN5-3281、ISO4587、JISK6850和ГОСТ14759。本文对这些方法进行深入分析，以便大家选择正确试验方法，获得准确的结果。

1 不同国家单搭接拉伸剪切强度试验方法比较

从表 1可以看出，GB/T7124-2008与 ASTM D1002、BS5350 PC5、ISO4587、JISK6850基本一致或相当，与DIN53281相近。HB5184-81与ГОСТ14759基本一致。HG2609-74除试片厚度较厚外，其他参数与HB5184-81一致。

表1 不同国家单搭接拉伸剪切强度试验方法比较Table 1 The test methods for single overlap tensile shear strength in various countries

2 不同参数对试验结果的影响

2.1 搭接长度

根据Voikersen胶接接头应力分析，应力集中系数随搭接长度L的增加而增大。从图1可以看出，应力在搭接的两端更为集中，而在搭接中央的应力却不断减少。通常对一特定胶黏剂与被粘物，其Lm值一定，当L＝Lm时，此时搭接中央的应力为零，以后再增加搭接长度也仅仅是增加搭接中央的应力为零的部分，接头破坏负荷不再增加。反而由于搭接长度的增加，导致裂纹与缺陷出现概率增加，故实际测试的拉伸剪切强度下降。从图1中可以看出，随着搭接长度增加使破坏应力不断下降；同时随搭接长度增加，破坏负荷开始是增加的，但达一定值后，破坏负荷增加就十分缓慢了。对柔韧性好的胶黏剂，可以通过增加搭接长度来提高胶接接头的承载能力，而热固性树脂胶黏剂，则不可采用增加搭接长度来提高胶接接头的承载能力。总之，胶黏剂拉伸剪切强度测试时，搭接长度要按试验方法规定的尺寸进行。

图1 搭接长度对破坏应力与破坏负荷的影响Ⅰ-破坏负荷；Ⅱ-破坏应力（试样宽度为25.4mm）Fig.1 The effect of overlap length on the failure stress and failure loadⅠ-failure stress;Ⅱ-failure load（The sample width=25.4mm）

2.2 试片厚度

图2 金属被粘物厚度、搭接长度与胶接强度的关系Fig.2 The effects of thickness of adherend and overlap length on the bonding strength

从图2可以看出，同一搭接长度，胶接试片厚度越厚，可承受的破坏负荷越大，这一点可以从Voikersen胶接接头应力分析中得到解释。试片越厚，在受力时形变负荷强度越高，故胶所承受的破坏负荷也越高。被粘物的杨氏模量与厚度越大，则应力集中系数越小，胶接接头的拉伸剪切强度与被粘物的厚度平方根成正比。因此试片厚度对胶黏剂的拉伸剪切强度的结果影响很大，必须严格采用材料标准规定的试验方法的试片厚度。

通常将被粘物厚度与搭接长度比值的平方根叫接头因子。从图3可以看出，破坏负荷随接头因子增加而增加，达到一定值后趋向于一恒定值。

在生产中实际胶接时，搭接长度与被粘物厚度之间应符合如下公式：

式中 L—被粘物搭接长度,mm;

σ—被粘物的拉伸强度极限，MPa;

τ—胶黏剂的拉伸剪切强度，MPa;

t—被粘物厚度,mm。

图3 破坏负荷与接头因子的关系Fig.3 The relation between failure load and joint factor

2.3 夹持距离

试样夹持的距离对拉伸剪切强度也有影响，其结果见表2。

表2 夹持距离对拉伸剪切强度的影响Table 2 The effect of clamping distance on the tensile shear strength

从表2可以看出，夹持距离越短，由于所受弯矩越大，则强度越低。因此，胶黏剂拉伸剪切强度测试时，夹持距离也应严格控制。

2.4 加载速度

加载速度降低，由于外力作用的时间加长，使应力松弛过程进行得十分充分，从而也显示出较大变形和较低的强度。对标准试样的拉伸剪切强度测试，在规定的加载速度范围内，加载速度大小对强度几乎没有什么影响。因此，胶黏剂拉伸剪切强度测试时，加载速度应在试验方法规定的范围内。

2.5 胶层厚度

胶层太厚、太薄其强度都低。这通常可以用下面的几点理由来解释。第一，随着胶层厚度增加，必然导致胶层内聚强度迅速下降；第二，胶层越厚，由于温度变化引起的内应力也大，如热固性胶黏剂，在加热固化或冷却时，树脂内部膨胀、收缩而造成内应力，由于胶层厚，所产生的内应力也相应增大，这些内应力可造成胶接接头强度损失；第三，金属的胶接强度与高分子化合物的分子定向有关，由于分子定向能增大被胶接金属的表面力。这表面力的强度大小又与跟金属的距离成反比，即在表面分界面上强度最高，胶层中心部位最小，若胶层厚，则胶接强度降低。

胶层太薄，则胶接面上容易缺胶，缺胶处便成为胶黏剂膜的缺陷，在受力时，于缺陷周围容易产生应力集中，从而加速胶膜破裂，导致胶接强度低。

以上分析表明，为了保证胶接接头具有最高的胶接强度，对胶层厚度应严格控制。不同材质的胶接试件，不同种类的胶黏剂，对胶层的厚度要求也不相同。胶接刚性制件的大多数胶黏剂，其胶层厚度对有机胶黏剂控制在0.05～0.15mm，无机胶黏剂控制在0.10～0.20mm。总之在保证不缺胶的前提下，尽量涂薄一些为好。在实际操作中，胶层厚度可以用控制涂胶量及固化压力来保证。表3和图4列出了胶层厚度对拉伸剪切强度的影响。

表3 胶层厚度对拉伸剪切强度的影响Table 3 The effect of thickness of adhesive layer on the tensile shear strength

从表3可以看出，拉伸剪切强度随胶层厚度增加而下降。

图4 拉伸剪切强度与胶层厚度的关系Fig.4 The relation between tensile shear strength and thickness of adhesive layer

从图4可以看出，拉伸剪切强度随胶层厚度增加急剧下降，到某一值后强度就不再变化了。

另外，厚度增加还可导致剪切破坏时胶黏剂的内聚破坏概率增加，使强度降低。

2.6 试片材料

根据材料力学研究表明：被粘物的杨氏模量越高，则胶在受力的屈服点也越高，胶接头受力时的贡献也越大，这一点对高强度胶黏剂的拉伸剪切强度影响更加明显。从试验中可以发现，同一种结构胶用同样尺寸的单搭接试片，钢的胶接强度大于铝合金的，而铝合金又大于镁合金的。其胶接接头的剪切强度几乎随被粘物的屈服强度的增加而呈线性增加。表4列出了用LY12和LY12CZ试片做CB-200胶的拉伸剪切强度对比结果。方法采用GB/T7124-2008。

表4 LY12和LY12CZ对拉伸剪切强度影响的对比结果Table 4 The effects of LY12 and LY12CZ on the tensile shear strength respectively

从表4可以看出，LY12CZ比LY12的拉伸剪切强度高很多。

3 结 论

（1）试片厚度对胶黏剂的拉伸剪切强度的结果影响很大，必须严格采用材料标准规定的试验方法的试片厚度。

（2）胶黏剂拉伸剪切强度测试时，搭接长度要按试验方法规定的尺寸进行。

（3）胶黏剂拉伸剪切强度测试时，夹持距离也应严格按试验方法规定进行。

（4）胶黏剂拉伸剪切强度测试时，加载速度应在试验方法规定的范围内。

（5）胶黏剂拉伸剪切试样制作时，胶层厚度应严格控制，在保证不缺胶的前提下，尽量薄一些为好。

（6）胶黏剂拉伸剪切试样制作时，试片材料选择要正确。

［1］ HG2609-74,金属胶接拉伸剪切强度试验方法［S］.

［2］ HB5164-81,金属胶接拉伸剪切强度试验方法》［S］.

［3］ GB/T7124-2008,胶黏剂拉伸剪切强度测试方法［S］.

［4］ ASTM D1002,胶黏剂单面搭接粘接表面拉伸剪切强度的标准试验方法［S］.

［5］ BS5350 PC5,胶黏剂拉伸搭接剪切强度的测定方法［S］.

［6］ DIN53281,胶黏剂拉伸搭接剪切强度的测定方法［S］.

［7］ ISO4587,胶黏剂拉伸搭接剪切强度的测定方法［S］.

［8］ JISK6850,胶黏剂拉伸搭接剪切强度的测定方法［S］.

［9］ ГОСТ14759,胶黏剂剪切强度测定方法［S］.

［10］ 喻国生，杨国腾，章菊华.航空非金属材料性能测试技术之《胶黏剂》［M］.北京：化学工业出版社，2014,3.

Analysis of the Test Methods for Tensile Shear Strength of Adhesive

YANG Guo-teng and DONG Yu
（Military Representative Office of PLA Shenyang Aircraft Industrial（Group）Co.,Ltd.,Shenyang Aircraft Industrial（Group）Co.,Ltd.,Shenyang 110850,China）

The test methods for tensile shear strength of adhesive at home and abroad are introduced.The similarities and differences of the parameters of test are analyzed,such as sample size,test speed,clamping distance and overlap length.And the effect of different parameters on the test results is also discussed.

Adhesive;tensile shear strength;analysis method

TQ430.71

B

1001-0017（2017）03-0228-03

2017-02-06

杨国腾（1963-），男，福建泉州人，研究员级高级工程师，研究方向：非金属材料。E-mail yangguoteng@163.com