輕質(zhì)、堅(jiān)固且具有成本效益的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一直是汽車、飛機(jī)和高速列車發(fā)展的必然趨勢(shì)，它不斷推動(dòng)著輕量化材料的應(yīng)用及其連接技術(shù)的創(chuàng)新[1]。在保證車輛安全的基礎(chǔ)上，采用不同材料組合的車身結(jié)構(gòu)已成為輕量化設(shè)計(jì)的重要手段之一[2]。自沖鉚（Self-PiercingRivet）連接作為一種快速的機(jī)械連接技術(shù)正廣泛應(yīng)用于汽車車身的制造過(guò)程，其接頭的力學(xué)性能會(huì)對(duì)整車的安全產(chǎn)生重要的影響[3]。然而車輛在實(shí)際服役過(guò)程中往往會(huì)受到水汽、高溫和化學(xué)侵蝕等環(huán)境因素的影響，導(dǎo)致汽車的可使用壽命減少甚至發(fā)生安全事故。如大氣污染酸雨等，會(huì)引起自沖鉚接頭的腐蝕和異種材料連接所引起的電化學(xué)腐蝕[4]。因此，模擬自沖鉚接頭在大氣污染所導(dǎo)致的酸性環(huán)境中的力學(xué)性能及腐蝕行為研究具有一定的意義。

目前，國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)不同腐蝕環(huán)境下自沖鉚接頭的性能開(kāi)展了相關(guān)研究。楊貴秋等[5]以酸溶液作為腐蝕介質(zhì),對(duì)鋼/鋁壓-膠復(fù)合接頭開(kāi)展周浸加速腐蝕試驗(yàn)并分析，結(jié)果表明膠黏劑的加入可以提升壓印接頭的強(qiáng)度。馮震等[6]通過(guò)鹽霧腐蝕試驗(yàn)對(duì)不同腐蝕時(shí)長(zhǎng)的鋁合金自沖鉚接頭靜強(qiáng)度和疲勞特性開(kāi)展相關(guān)研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在腐蝕周期內(nèi)接頭的靜力學(xué)性能和失效形式并沒(méi)有因?yàn)楦g而造成影響，但短期鹽腐蝕會(huì)改變接頭疲勞失效特征，而且會(huì)使接頭產(chǎn)生多個(gè)疲勞裂紋源。Lim等[7]研究了鎂合金AZ31B和熱固性碳纖維增強(qiáng)聚合物的摩擦自沖鉚連接（F-SPR）在0.1mol/L的NaCl的腐蝕行為，通過(guò)X射線斷層掃描和SEM表征，表明接頭搭接區(qū)的腐蝕程度不顯著，腐蝕液對(duì)搭接區(qū)間隙的侵蝕作用有限。Qin等[8]通過(guò)拉伸試驗(yàn)和表面分析，深入研究電泳處理后鉚接接頭在鹽霧環(huán)境中的腐蝕行為，結(jié)果表明鋼/鋁鉚接接頭的腐蝕機(jī)制是電偶腐蝕和氧濃度極化腐蝕。Lai等[9]對(duì)TA1-Al5052鋁合金自沖鉚接頭進(jìn)行了不同時(shí)間的鹽霧試驗(yàn)并測(cè)試了腐蝕后接頭的機(jī)械性能，結(jié)果表明隨著鹽霧時(shí)間的延長(zhǎng)，接頭的機(jī)械性能逐漸變?nèi)?，鹽霧持續(xù)時(shí)間對(duì)接頭的破壞模式影響較大。Kotadia等[10]研究了在鹽性環(huán)境下5182純鋅鋁和鋅鋁鎂涂層DP590鋼的搭剪接頭的腐蝕情況，結(jié)果顯示腐蝕對(duì)接頭剪切性能產(chǎn)生了顯著影響，接頭的失效機(jī)制受到涂層類型和預(yù)處理工藝的影響。Abe等[11]將鹽性環(huán)境下的鋼板與鍍鋅鋼板進(jìn)行了對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)鍍鋅層可以有效減弱腐蝕引起的鉚接接頭強(qiáng)度降低現(xiàn)象。我國(guó)是世界上最大的煤炭生產(chǎn)與消費(fèi)國(guó)，部分工業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)大氣中SO2的含量已超過(guò)環(huán)境容量的60%[12]，由大氣污染引發(fā)的霧霾，酸雨等現(xiàn)象對(duì)金屬工程結(jié)構(gòu)和載運(yùn)工具等帶來(lái)了危害，SO2是環(huán)境酸化前驅(qū)物且多以HSO3-形式存在[13]，因此本文以0.02mol/L的NaHSO3溶液作為腐蝕介質(zhì)，對(duì)比分析了自沖鉚接頭和粘-鉚復(fù)合接頭在酸性環(huán)境下的腐蝕特性和力學(xué)性能。分別通過(guò)力學(xué)試驗(yàn)和掃描電子顯微鏡（SEM）探討腐蝕環(huán)境下接頭的力學(xué)性能和接頭縫隙處的微觀腐蝕形貌，為提高接頭的抗腐蝕能力和防腐設(shè)計(jì)提供一定的參考。

1、試驗(yàn)材料與方法

1.1試件制備

本試驗(yàn)選用車身結(jié)構(gòu)中常用的5052鋁合金和熱軋雙相鋼DP590作為試驗(yàn)材料，粘接劑采用3M-DP460環(huán)氧樹(shù)脂，分別制備自沖鉚接頭和粘-鉚復(fù)合接頭。試件幾何尺寸見(jiàn)圖1。鉚釘和模具采用德國(guó)Bollhoff公司所生產(chǎn)的硼鋼36MnB4(硬度為462HRC)，其幾何尺寸見(jiàn)圖2，各組接頭材料組合和命名見(jiàn)表1。

1.2周浸腐蝕試驗(yàn)

根據(jù)GB/T19746-2018[14]標(biāo)準(zhǔn)，配置0.02mol/LNaHSO?溶液作為腐蝕介質(zhì)，試驗(yàn)溫度為25±2℃。每組接頭設(shè)4類腐蝕試樣，腐蝕時(shí)間分別為0h、360h、720h和1080h。試驗(yàn)以1h為周期，浸潤(rùn)10min，干燥50min。腐蝕結(jié)束后去除腐蝕產(chǎn)物，進(jìn)行脫水處理，并放入恒溫箱保溫24h。

1.3靜力學(xué)實(shí)驗(yàn)及SEM掃描

采用MTSLandmark100型試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)拉伸測(cè)試，試驗(yàn)以5mm/min的恒定速度進(jìn)行直至試件破壞，為減少產(chǎn)生附加扭矩干擾試驗(yàn)結(jié)果，在試件兩端固定墊片。每類腐蝕試樣測(cè)試8個(gè)試件取其均值。拉伸試驗(yàn)完成后，選用捷克公司生產(chǎn)的VEGA3SCAN鎢絲燈電子掃描顯微鏡對(duì)試件典型腐蝕特征表面進(jìn)行觀測(cè)。

2、結(jié)果與分析

2.1載荷-位移曲線及剛度分析

自沖鉚接頭的剛度是指鉚接點(diǎn)機(jī)械自鎖結(jié)構(gòu)抵抗由外力作用引起的連接界面滑移變形的能力，在接頭的載荷-位移曲線中表現(xiàn)為試件的載荷與位移之比[15]，圖3和圖4給出了各組試件在不同腐蝕周期下的載荷-位移曲線及對(duì)應(yīng)的剛度曲線。

AA組和DA組的載荷-位移曲線及剛度曲線如圖3所示，根據(jù)圖3將試件的載荷-位移曲線分為三個(gè)階段：彈性階段、塑性變形階段和失效階段。對(duì)比不同腐蝕周期的同組接頭，發(fā)現(xiàn)腐蝕周期并未對(duì)各組接頭在彈性階段和塑性變形階段的曲線變化趨勢(shì)產(chǎn)生較大影響，但會(huì)影響失效階段的試件的位移量，且異質(zhì)接頭的影響更為顯著。這是由于試件的腐蝕程度和破壞位置不同，導(dǎo)致失效階段上板鉚孔壁、自鎖結(jié)構(gòu)和下板殘余底厚在傳遞載荷時(shí)，各個(gè)傳遞環(huán)節(jié)所能承受的強(qiáng)度不同，因此接頭呈現(xiàn)不同的失效過(guò)程[16]。對(duì)于接頭的剛度曲線，AA組和DA組不同腐蝕周期均呈現(xiàn)“下凹曲線”的下降趨勢(shì)，在拉伸初始階段兩組接頭剛度最大，表明該階段接頭機(jī)械內(nèi)鎖連接界面相對(duì)滑移量最小。隨著位移的增加，內(nèi)鎖相對(duì)滑移量會(huì)逐漸增大，導(dǎo)致接頭的剛度迅速減小，而由于板材的性能差異性促使DA組接頭的剛度更大。對(duì)比同組試件不同腐蝕周期的接頭剛度，發(fā)現(xiàn)腐蝕周期未對(duì)自沖鉚接頭彈性階段和塑性變形階段的剛度產(chǎn)生明顯影響，而對(duì)失效階段尤其是DA組接頭失效階段的影響更為顯著，這主要是因?yàn)榻宇^在失效階段的失效特征不同。

AJA組和DJA組的載荷-位移曲線及剛度曲線如圖4所示，將其載荷-位移曲線大致分為四個(gè)階段：彈性階段，粘接失效階段，鉚接塑性變形階段和鉚接失效階段。在彈性階段，拉伸載荷首先作用于粘接結(jié)構(gòu)上，隨著位移的增大粘接結(jié)構(gòu)迅速失效，載荷即刻作用于自沖鉚結(jié)構(gòu)上，接頭進(jìn)入鉚接塑性變形階段，曲線呈現(xiàn)出先下降后上升的變化趨勢(shì)[17]。對(duì)比單一自沖鉚接頭和粘-鉚復(fù)合接頭，發(fā)現(xiàn)粘接劑的加入使AA、DA接頭剛度分別提升了45%、38%，這是由于粘接劑填充了接頭搭接區(qū)連接界面的間隙，使得接頭的整體性和緊密性更強(qiáng)，成形質(zhì)量更優(yōu)[18]，接頭自鎖結(jié)構(gòu)相對(duì)滑移量更小。對(duì)比同組試件不同腐蝕周期下的剛度變化曲線，發(fā)現(xiàn)粘-鉚復(fù)合接頭的彈性階段和粘接失效階段剛度曲線變化較為顯著，表明粘接結(jié)構(gòu)更易受腐蝕作用的影響。

2.2接頭的穩(wěn)定性及失效載荷分析

接頭穩(wěn)定性是指自沖鉚接頭強(qiáng)度降低系數(shù)的波動(dòng)程度，受被連接基板材料、工藝參數(shù)、接頭成形質(zhì)量以及腐蝕周期等眾多因素的影響。Fiore等[19]將當(dāng)前腐蝕周期下的失效載荷與未發(fā)生腐蝕時(shí)的失效載荷的比值定義為自沖鉚接頭的強(qiáng)度降低系數(shù)。若強(qiáng)度降低系數(shù)越接近1則波動(dòng)程度越小，表明接頭穩(wěn)定性越好，受腐蝕的影響程度越小。圖5為4組接頭的強(qiáng)度降低系數(shù)波動(dòng)曲線，由圖可知同質(zhì)接頭強(qiáng)度降低系數(shù)波動(dòng)曲線呈相似的變化趨勢(shì)且波動(dòng)程度均小于異質(zhì)接頭，表明同質(zhì)接頭受腐蝕的影響較小，接頭具有較好的耐腐蝕性。異質(zhì)接頭中DA組的波動(dòng)程度較大，穩(wěn)定性較差，這與接頭的失效過(guò)程有關(guān)[20]，表明DA組試件在腐蝕環(huán)境中因腐蝕而發(fā)生失效形式轉(zhuǎn)變，這與2.3節(jié)中的試驗(yàn)現(xiàn)象DA組失效形式相吻合，而DJA組因?yàn)檎辰觿┑谋Ｗo(hù)作用使得其腐蝕程度較輕，穩(wěn)定性較好。

各組試件的失效載荷如圖6所示，觀察接頭AA、DA組與AJA、DJA組試件的失效載荷，腐蝕前AA、DA組的最大失效載荷分別為4951N、4511N,AJA、DJA組的最大失效載荷為5225N、5760N,粘接劑的加入使AA、DA組失效載荷分別提升了5.5%、27%，發(fā)現(xiàn)粘接劑對(duì)異質(zhì)接頭失效載荷提升幅度大于同質(zhì)接頭，這是由于粘接劑的加入對(duì)異質(zhì)接頭基面粗糙度相較同質(zhì)接頭提升更大[21]。隨著腐蝕時(shí)長(zhǎng)的增加，AA組試件靜強(qiáng)度未產(chǎn)生較大影響，原因是鋁合金表面的氧化鋁薄膜使得其耐腐蝕性較好，且同種板材組合接頭電化學(xué)腐蝕較弱。而AJA和DJA組試件的失效載荷隨腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)，這是因?yàn)檎?鉚復(fù)合接頭在未腐蝕以及腐蝕初期，接頭的剪切力由粘接結(jié)構(gòu)所傳遞[22]，在腐蝕中后期，粘接劑與板材連接的部分界面處發(fā)生剝離，使得粘接結(jié)構(gòu)所能承受的強(qiáng)度降低，故失效載荷呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)。

2.3失效形式分析

見(jiàn)圖7所示，自沖鉚接頭常見(jiàn)的失效形式主要有四類，分別是自鎖失效、下層板鉚接點(diǎn)底部脫落失效、上層板沿鉚接孔斷裂失效和鉚釘斷裂失效?；诂F(xiàn)有研究結(jié)果表明接頭失效形式多樣及其相互轉(zhuǎn)變的主要原因是：接頭的自鎖結(jié)構(gòu)、鉚釘、下板鉚接點(diǎn)底部和上板鉚釘孔壁在失效階段處于競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，較為薄弱區(qū)域?qū)?huì)在剪切力傳遞過(guò)程中首先斷裂，因而呈現(xiàn)特定的失效形式[20]。

本次試驗(yàn)同質(zhì)接頭AA組和AJA組失效形式未隨腐蝕時(shí)間延長(zhǎng)而發(fā)生轉(zhuǎn)變，均為自鎖失效。其失效機(jī)理主要有兩方面：一方面是基板的耐蝕性使得上板鉚孔壁和下板鉚接點(diǎn)腐蝕較輕，另一方面是拉伸試驗(yàn)過(guò)程中釘頭處產(chǎn)生的彎矩使得搭接區(qū)上板末端逐漸發(fā)生翹曲[16]，自鎖結(jié)構(gòu)同時(shí)受到剪切力和剝離力的作用成為受載過(guò)程中的最薄弱點(diǎn)，最終脫離下板。異質(zhì)接頭試驗(yàn)組如圖8所示，DA組失效形式隨腐蝕周期延長(zhǎng)由自鎖失效轉(zhuǎn)變?yōu)橄聦影迨Щ蜚T釘失效。這是因?yàn)楦g作用會(huì)導(dǎo)致材料的強(qiáng)度降低[23]，由于鉚接點(diǎn)底部材料較薄，腐蝕削弱了該區(qū)域的承載能力，尤其在失效階段承受較大剪力時(shí)，易發(fā)生斷裂和脫落。此外，腐蝕液的滲透加劇了鉚釘管腿與鉚孔壁間的電化學(xué)腐蝕，進(jìn)一步導(dǎo)致鉚釘強(qiáng)度下降，最終失效模式表現(xiàn)為鉚釘失效。而DJA組由于粘接劑的密封作用使得腐蝕效應(yīng)較低，最終失效形式未發(fā)生改變均為自鎖失效。試驗(yàn)中上板DP590抗拉、抗剪強(qiáng)度較高，因此本次實(shí)驗(yàn)未出現(xiàn)上層板失效情況。

觀察1~8位置掃描圖可知，DA組未腐蝕時(shí)，試件下板鉚接點(diǎn)呈現(xiàn)同向長(zhǎng)條纖維狀劃痕，表明該區(qū)域在鉚釘受剪拔出時(shí)，與鉚釘管腿發(fā)生劇烈剮蹭，使得該區(qū)域出現(xiàn)沿鉚釘拔出方向的纖維狀溝壑。在腐蝕初期，上板搭接區(qū)較未腐蝕時(shí)，腐蝕產(chǎn)物增多且分布不均勻，呈現(xiàn)出疏松的團(tuán)簇狀，板材搭接區(qū)不斷堆積的腐蝕產(chǎn)物不僅增大了兩板之間的摩擦力，而且對(duì)自沖鉚機(jī)械自鎖結(jié)構(gòu)起到了一定的保護(hù)作用，因此接頭的失效載荷得到提升。下板鉚接位置發(fā)現(xiàn)有少量腐蝕產(chǎn)物堆積（Ⅰ）并且伴隨有局部點(diǎn)腐蝕凹坑（Ⅱ），表明了腐蝕液已通過(guò)搭接區(qū)縫隙滲入下板鉚接點(diǎn)處并產(chǎn)生一定的腐蝕效應(yīng)。在腐蝕中期，上板搭接層腐蝕區(qū)域增大并且部分腐蝕產(chǎn)物脫落，降低了銹層對(duì)基體的保護(hù)能力。隨著板間鉚接點(diǎn)處腐蝕加劇以及殘余底厚處隨腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)鉚釘與下板鉚接點(diǎn)底部區(qū)域處于競(jìng)爭(zhēng)狀態(tài)，失效形式表現(xiàn)為鉚釘失效或下層板失效。鉚釘斷裂處斷口表面形貌呈現(xiàn)密集的球狀顆粒，是典型的脆性斷裂失效特征，表明鉚釘在擴(kuò)張形成自鎖結(jié)構(gòu)時(shí)，鉚釘管腿和鉚釘蓋連接區(qū)域產(chǎn)生應(yīng)力集中[24]。在腐蝕后期，上板類似于初期團(tuán)簇狀形貌的腐蝕產(chǎn)物增多，這是由于上板搭接區(qū)在腐蝕中期部分腐蝕產(chǎn)物脫落，基體暴露于腐蝕液中發(fā)生二次腐蝕而導(dǎo)致。觀察到下板搭接區(qū)表面銹層出現(xiàn)微裂紋及部分脫落，導(dǎo)致搭接區(qū)界面間的摩擦作用減弱，同時(shí)內(nèi)部自鎖結(jié)構(gòu)遭到腐蝕破壞，造成接頭失效載荷降低，因此DA組失效載荷呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)。分析9和10位置掃描圖可知，DJA組未腐蝕時(shí)，上板鉚接孔壁呈現(xiàn)明顯的劃痕溝壑，劃痕較長(zhǎng)且深度較深，這是在鉚接過(guò)程中鉚釘刺穿上板并擠壓該區(qū)域所致。下板鉚接點(diǎn)區(qū)域因鉚釘管腿拔出而導(dǎo)致的劇烈剮蹭。腐蝕初期，腐蝕液沿鉚釘頭與上層板接觸面之間縫隙滲入并發(fā)生腐蝕反應(yīng)，使得上板鉚接孔壁表面出現(xiàn)少許片狀腐蝕產(chǎn)物（Ⅲ），且腐蝕產(chǎn)物多集中于劃痕溝壑內(nèi)，可能原因與腐蝕液沿劃痕導(dǎo)向的侵蝕作用有關(guān)。下板膠層表面出現(xiàn)少許絮狀腐蝕產(chǎn)物（Ⅳ）堆積，試件基材仍被膠層覆蓋，降低了腐蝕液對(duì)接頭搭接區(qū)間隙的腐蝕作用。腐蝕中期，上板鉚孔壁腐蝕產(chǎn)物增多且腐蝕區(qū)域增大，腐蝕產(chǎn)物不再集中于溝壑內(nèi)。腐蝕后期，上板鉚孔壁的劃痕溝壑出現(xiàn)體積較大的片狀腐蝕產(chǎn)物堆積（Ⅴ），局部腐蝕嚴(yán)重。下板在腐蝕中后期膠層發(fā)生斷裂且大面積脫落，并出現(xiàn)大量細(xì)小顆粒狀產(chǎn)物，隨著腐蝕的進(jìn)行，粘接劑與板材連接的部分界面出現(xiàn)剝離，粘接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度不斷降低，故失效載荷呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)。

3、結(jié)論

本文以0.02mol/L的NaHSO3溶液為腐蝕介質(zhì)，以自沖鉚接頭和粘-鉚復(fù)合接頭為主要研究對(duì)象，通過(guò)靜力學(xué)試驗(yàn)和電子掃描顯微鏡對(duì)酸性腐蝕環(huán)境下自沖鉚接接頭的靜力學(xué)性能和腐蝕行為進(jìn)行研究分析，主要結(jié)論如下：

1）腐蝕周期并未對(duì)自沖鉚接頭位移-載荷曲線的彈性階段和塑性變形階段產(chǎn)生較大影響，但會(huì)影響失效階段試件的位移，且對(duì)異質(zhì)接頭的影響更為顯著，粘接劑的加入使同質(zhì)、異質(zhì)接頭剛度分別提升了45%、38%。

2）隨腐蝕周期的延長(zhǎng)，自沖鉚接頭失效載荷受搭接區(qū)腐蝕產(chǎn)物的影響呈先增大后減小的趨勢(shì)，粘接劑的加入使同質(zhì)、異質(zhì)組失效載荷分別提升了5.5%、27%，粘接劑對(duì)異質(zhì)接頭失效載荷提升幅度優(yōu)于同質(zhì)接頭，粘接結(jié)構(gòu)對(duì)腐蝕作用更敏感，使得粘-鉚復(fù)合接頭隨著腐蝕的進(jìn)行失效載荷不斷減小，腐蝕后期接頭強(qiáng)度由鉚接機(jī)械自鎖結(jié)構(gòu)提供。

3）異質(zhì)接頭相較同質(zhì)接頭穩(wěn)定性較差，同質(zhì)接頭AA組和AJA組失效形式未隨腐蝕時(shí)間延長(zhǎng)而發(fā)生轉(zhuǎn)變，均為自鎖失效。異質(zhì)接頭DA組失效形式隨腐蝕周期延長(zhǎng)由自鎖失效轉(zhuǎn)變?yōu)橄聦影迨Щ蜚T釘失效，而DJA組由于粘接劑的加入從而有效抑制了接頭失效形式的轉(zhuǎn)變。

4）對(duì)于搭接區(qū)上下板間的腐蝕，該類腐蝕可通過(guò)加入板間粘接劑的方式減弱；對(duì)于鉚釘管腿外側(cè)與上板鉚釘孔壁間的縫隙腐蝕，鉚接時(shí)上板被鉚釘刺穿擠壓過(guò)程中產(chǎn)生的刮擦痕對(duì)腐蝕有促進(jìn)作用，該類腐蝕目前亟待解決。

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